C02 – Integrierte Fluidaktoren

Durch die Integration von Fluidaktoren in Tragwerkselemente, wie Balken oder Platten, soll der Lastabtrag optimiert werden. Damit kann eine Tragfähigkeitssteigerung und infolge dessen eine Massenersparnis erzielt werden.

Adaptive Tragwerke stellen eine Möglichkeit dar, um auf veränderliche Einwirkungen zu reagieren. Dabei werden durch Aktoren erzeugte Kräfte gezielt in das Tragwerk geleitet. Auf diese Weise werden Spannungen und Verformungen im Bauteilinneren erzeugt, die den durch die äußeren Einwirkungen hervorgerufenen Spannungen und Verformungen entgegenwirken. Eingesetztes Material lässt sich dadurch effizienter ausnutzen, ebenso kann die Gesamtverformung des Bauteils auf ein Minimum reduziert werden.

In der zweiten Förderperiode werden die Prinzipien der FP 1 auf zweiachsig gespannte Plattentragwerke erweitert. Diese Bauteile umfassen beispielsweise bei einer Skelettbauweise bis zu 50 % der Tragwerksmasse und bieten damit ein noch größeres Potential zur Einsparung von Ressourcen im Vergleich zu den Betonbalken der ersten Förderperiode. Weiterhin ergeben sich durch die zusätzliche räumliche Dimension neue Fragenstellungen. Integrierte Aktoren, die den spezifischen Anforderungen des mehraxialen Lastabtrags gerecht werden, existieren weder im Maschinenbau noch in verwandten Domänen. Die zentrale Fragestellung der zweiten Förderperiode im Teilprojekt C02 lautet damit:

Wie müssen fluidische Aktoren zur Integration in ein Plattentragwerk ausgeführt werden, wie muss die Integration ausgeführt werden und wie können mit diesem System Spannungen, Verformungen und Schwingungen reduziert werden?

Zunächst wurden neue, auf Einflussmatrizen basierende, Methoden zur Entwicklung eines Aktuierungskonzepts für zweiachsig gespannte Platten entwickelt. Begleitend fand ein enger Austausch mit der Aktorkonzeption statt, um technisch umsetzbare Lösungen zu ermöglichen.

^{Summierte Einflüsse auf die vertikalen translatorischen Verschiebungen unter ein biaxialen Aktuierung (a) sowie einer um 45° (b) und 135° (c) gedrehten uniaxialen Aktuierung. Foto: (c) Markus Nitzlader}

^{Einflussfelder einer um 45° (a) und 135° (b) gedrehten uniaxialen Aktuierung bezogen auf die vertikalen translatorischen Verschiebungen in Feldmitte. Foto: (c) Markus Nitzlader}

Die Entwicklung des neuen adaptiven Systems fand unter Verwendung numerischer Simulationsmodelle statt, welche durch experimentelle Untersuchungen unterstützt wurden. Der Untersuchungsrahmen erstreckte sich von Einzelkomponenten der Aktoren über Plattensegmente mit integrierten Aktoren bis hin zu einem 2 x 2 m Prototyp einer adaptiven Platte. Bei letzterem werden die speziell entwickelten mehraxial wirkende Aktoren direkt in den Querschnitt der Platte eingesetzt.

^{Schaumstoffmodell zur Darstellung des Aktuierungskonzepts mit vereinfachten Aktoren und ohne Deckschicht. A: biaxialer Aktor. B: uniaxialer Aktor. Foto: (c) Matthias Bosch}

^{Prototypen verschiedener Aktordruckkammern. A: Geschweißte Stahlmembran. B: Geschraubte Stahlmembran. C: Geschraubte Elastomermembran. Foto: (c) Matthias Bosch}

^{Aktorintegration innerhalb des Schalungskörpers des 2 x 2 m Prototyps einer adaptiven Platte ohne obere Bewehrungslage. Foto: (c) Markus Nitzlader, Matthias Bosch}

^{Versuchsaufbau des 2 x 2 m Prototyps für eine vollflächige Belastung (links) und eine assymetrische Punktlast (rechts). Foto: (c) Markus Nitzlader, Matthias Bosch}

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die adaptive Platte auch unter doppelter Auflast das Verformungsniveau einer identischen Platte ohne Aktoren unter einfacher Auflast halten kann. Im Rahmen einer Fallstudie einer 10 x 10 m Platte konnte gezeigt werden, dass eine Verringerung des Querschnitts um bis zu 43 % erreicht werden kann, was einer Verringerung des Treibhauspotenzials um 35 % im Vergleich zu einer entsprechenden passiven Stahlbetonplatte entspricht.

Teilprojektleiter:innen

• Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz, Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design
• Prof. Dr.-Ing. M.Arch. Lucio Blandini, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren
• Prof. Dr.-Ing. Matthias Kreimeyer, Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design