Adaptive Tragwerke

Allgemeines

Als adaptive Tragwerke bezeichnet man Systeme, die in der Lage sind, sich ihrer Umgebung und den äußeren Einflüssen anzupassen und auf diese angemessen zu reagieren. Es entsteht in gewisser Weise ein Wechselspiel zwischen der Umgebung und dem Tragwerk selbst, welches zu einer Optimierung von vorher festgelegten Eigenschaften und Zielen führt.

Die Grundlage der adaptiven Tragwerke bildet der Leichtbau (vor allem der Struktur- und Systemleichtbau). Seit mehreren Jahren wurden Bauwerke immer schlanker und leichter konstruiert, dadurch stoßen sie jedoch an einige Grenzen. Infolge der Gewichtsreduzierung ist dann nicht mehr das Eigengewicht selbst der maßgebende Lastfall, sondern folglich die äußeren Einflüsse. Vor allem nehmen die Schnee- und Windlasten gegenüber dem sehr geringen Eigengewicht einen großen Einfluss. Durch diesen „neuen“ Grenzfall müssen Tragwerke somit weiter optimiert werden.

Allgemein werden adaptive Systeme dabei unterschieden in passive und aktive Adaption.

Passive Adaption

Bei der passiven Adaption reagieren die Systeme direkt auf die Einflüsse ohne jeglichen Einsatz von Steuerung durch zum Beispiel Sensoren. Somit ist eine Zuwendung externer Energie nicht notwendig. Typische Beispiele passiver Adaption sind Feder-Masse-Systeme, die als Schwingungstilger oder –Dämpfer, die auf das Tragwerk einwirkende Energie aufnehmen und umwandeln können (z.B. bei Schwingungen). Denkbar sind auch Systeme, die frei drehbar sind und sich beispielsweise der jeweiligen Windrichtung anpassen können.

Aktive Adaption

Im Gegensatz zur passiven Adaption ist bei der aktiven Adaption das Aufbringen externer Energie zur Aktivierung der Steuerung notwendig. Die Aktivierung wird durch zusätzliche Sensoren ausgelöst, gesteuert und durch die integrierten Aktuatoren umgesetzt. Ein Vorteil der aktiven Adaption mit dieser Steuerung ist eine größere Abdeckung der Anpassungsfähigkeit der Systeme. Die Reaktionen dieser Systeme sind deutlich weitreichender.

Systemübersicht und Elemente

Grundlegende Struktur und Systemablauf adaptiver Systeme

Durch das Integrieren von multifunktionalen Bauteilen entstehen intelligente und dadurch anpassungsfähige Systeme. Infolge der Anpassungsfähigkeit,
können diese Systeme (oder übertragen auf das Bauwesen Tragwerke) auf unterschiedlichste Einwirkungen reagieren.
Solche Systeme bestehen allgemein aus den folgenden drei Komponenten:

• Regelung bzw. Steuerung: gibt Rückmeldung über Systemantwort
• Sensoren: zur Messung äußerer Einflüsse oder systeminterner Zustände (z.B. Dehnungsmessstreifen usw.)
• Aktuatoren: Verbindungsglieder zwischen Regelung und technischem Prozess (z.B. pneumatische oder hydraulische Aktuatoren usw.)

Die Adaption und bereits erwähnte Wechselwirkung, die zur Anpassung an die Einwirkungen geschieht, wird durch einen Vorgang bzw. Algorithmus gesteuert.

Anwendung im Bauwesen

Voraussetzungen

Adaptive Tragwerke kommen teilweise im Bauwesen bereits zur Anwendung (z.B. zur Schwingungstilgung oder in Fassaden). Dabei müssen die Systeme einige Grundvoraussetzungen erfüllen. Die wichtigste Grundvoraussetzung zur Optimierung von Tragwerken sind veränderbare Systemgrößen. Wenn das zu optimierende System keine Veränderungen zulässt, ist eine mögliche Adaption ausgeschlossen. Veränderliche Systemgrößen können dabei zum Beispiel sein:

• Systemkräfte und Lasteinleitung, welche sowohl Schnittgrößen als auch Verformungen beeinflussen können.
• Die Geometrie und maßgebende Formgebung des Tragwerks können bei der Aufnahme von Lasten eine entscheidende Stellgröße darstellen.
• Unterschiedliche Steifigkeiten von Einzelelementen oder auch von Bereichen innerhalb des Systems können ebenfalls zu einer Reduzierung der Schnittkräfte führen. Durch Steifigkeiten können somit bestimmte veränderliche Einwirkungen homogenisiert werden.
• Ähnlich wie die Steifigkeit kann auch die Masse eines Systems eine entscheidende Rolle zur Adaption der Tragwerke besitzen und zur Lastaufnahme beitragen.

Somit können unterschiedliche Größen eines Systems optimiert und verschiedene Einflüsse adaptiert werden. Dabei wird die Adaption unterschieden in Verformungsadaption und Schnittgrößenadaption.

Verformungsadaption

Bei der Verformungsadaption werden ermittelte Verformungen oder Verschiebungen optimiert. Dazu müssen zunächst die erforderlichen Dehnungen, Längenänderungen und Arbeiten der einzelnen Elemente ermittelt werden. Nachfolgend können die Kräfte zur Verhinderung dieser Verschiebungen ermittelt werden. Teilweise können auch Verformungen eines Systems zur Optimierung vorgegeben werden (z.B. Überhöhung bei Brücken).

Schnittgrößenadaption

Schnittgrößen- oder auch Momentenadaption genannt, hat zum Ziel die Schnittgrößen eines Systems durch z.B. Änderung der Steifigkeit oder Lasteinleitung zu homogenisieren.
Auch die Formgebung des Gesamtsystems kann sich positiv auf die Schnittgrößen auswirken, z.B. kann die Struktur dem Momentenverlauf angepasst werden. Oftmals wird die Angleichung der Feld- und Stützmomente zum Optimierungsziel gewählt.

Quellen

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