Forschergruppe 981 - Hybride und Intelligente Konstruktionselemente (HIKE)

Förderstelle: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Partnerinstitute: IKTD, ITV, IFB, IFT, ILEK, IFU, ISYS der Universität Stuttgart
Laufzeit: 3 Jahre

Kurzbeschreibung des Gesamtprojekts
Die Forschergruppe HIKE setzt sich aus sieben verschiedenen Instituten aus den Fachbereichen Bauingenieurwesen, Luft- und Raumfahrtechnik, Konstruktions-, Produktions-, Fahrzeug- bzw. Textil- und Verfahrenstechnik zusammen. Ziel ist es, innerhalb eines interdisziplinären Rahmens neuartige Konstruktionselemente zu entwickeln, die funktionale, wirtschaftliche und innovative Anforderungen erfüllen und sich durch eine erhöhte Funktionalität deutlich von den klassischen Konstruktionselementen abheben.

Teilprojekt - Adaptives Schalentragwerk
Das Teilprojekt des ILEK "Adaptive Schalentragwerke - Auslegung, Umsetzung und Bewertung" baut im Rahmen der am Institut laufenden Forschungsarbeiten im Bereich der adaptiven Systeme direkt auf sehr erfolgsversprechende Ergebnisse im Bereich der adaptiven Tragwerke auf. Schalentragwerke sind in ihrer Lastabtragung besonders effektiv, da sie durch ihre gekrümmte Form die angreifenden Lasten überwiegend als Normalbeanspruchung und nur in geringerem Umfang als Biegebeanspruchung zu den Auflagern abtragen. Im Bereich von Diskontinuitäten und aufgrund ungleichmäßiger Belastungen jedoch treten erhebliche Spannungskonzentrationen bzw. Biegemoment auf. Diskontinuitäten sind unter anderem die Randbereiche der Schalen, deren Auflagerungen oder Inhomogenitäten in der Fläche selbst, beispielsweise in Form von Tageslichtöffnungen. Auch punktförmige Belastungen zum Beispiel durch Einzellasten führen zu Spannungskonzentrationen. Die adaptive Gestaltung der Schalen unter Einsatz hybrider intelligenter Konstruktionselemente ermöglicht eine erhebliche Reduzierung dieser Spannungskonzentrationen. Als Aktuatoren im Tragsystem kommen aktive und verschiebliche Auflager oder in die Schale selbst integrierte aktive Dehnungselemente in Frage.

Im vorgesehenen Projekt werden Auslegungs-, Optimierungs- und rückkopplungsfähige Softwaremodule entwickelt, die im Zusammenwirken mit Sensoren, Aktuatoren und einer Controllereinheit in der Lage sind, das Beanspruchungsverhalten eines Schalentragwerks wesentlich zu verbessern, indem Spannungsspitzen reduziert werden. Anwendung finden die zu entwickelnden Werkzeuge bei der Umsetzung von drei Funktionsprototypen, die sich jeweils in der Art der Aktivierbarkeit unterscheiden. Vorgesehen ist die Erprobung der Integration von verschieblichen Auflagerungen, flächenhaften Aktuatoren im Sinne von lokalen Pflasterungen sowie von linienförmigen Dehnungsaktuatoren im Schalenrandbereich.

An Hand der an den Prototypen gewonnenen Erfahrungen bezüglich der Effektivität der Aktorik sowie der konstruktiven Umsetzung erfolgt eine Bewertung der neuen Bauweise. Desweiteren wird mittels eines gemeinsamen Demonstrators das Zusammenwirken der einzelnen Konstruktionselemente aus den verschiedenen Teilprojekten der Forschergruppe dargestellt werden.

Die zu entwickelnden neuen Werkzeuge und Technologien sind Voraussetzung für Ultraleichtbaustrukturen der nächsten Generation gewichtsoptimierter Tragwerke. Sie stellen einen Meilenstein der technologischen Entwicklung auf dem Gebiet des Leichtbaus dar. Durch den Einsatz aktivierbarer Elemente wird Strukturmasse eingespart und durch Energie ersetzt.