Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen

SFB 1244

Für ressourcenschonendes Bauen forscht das ISYS an Regelungs- und Beobachterkonzepten und Fehlerdiagnose von adaptiven Tragwerken und bauphysikalischen Anwendungen.

Beschreibung

Der SFB-1244 erforscht die Grundlagen, das Potential und die Auswirkungen einer Integration von adaptiven Elementen in tragende Strukturen, Hüllsysteme und Innenausbauten unserer Bauwerke. Unter Adaptivität wird dabei die gezielte Veränderbarkeit der Geometrie, der Material- und der Bauteileigenschaften verstanden.

Das Bauschaffen steht weltweit für ca. 60% des Ressourcenverbrauchs, ca. 50% des Massenmüllaufkommens sowie für jeweils ca. 35% des Energieverbrauchs und der Emissionen. Eine verschärfte Situation durch ein erhöhtes Bauaufkommen wird durch den demographischen Wandel prognostiziert. Durch den Einsatz von adaptiven Strukturen im Bauwesen soll diese Entwicklung eingedämmt werden. Bisher werden tragende Konstruktionen für Spitzenbeanspruchungen ausgelegt, die beim Eintreten teilweise sehr selten auftretender Einwirkungen entstehen. Deshalb sind diese Strukturen ineffizient, weil sie für den überwiegenden Teil ihrer Einsatzdauer überdimensioniert sind. Durch den Einsatz adaptiver Strukturen kann sich ein Gebäude an die aktuelle Situation anpassen und optimales Verhalten bezüglich Lastaufnahme und Energieeinsatz kann erreicht werden. Neben den technischen Anforderungen bei den geplanten Verbesserungen wird beim Bau von Wohnraum für die Bewohner ein Stück ‚Heimat‘ geschaffen, wobei Wohlfühlfaktoren nicht zu vernachlässigen sind.

Das Forschungsprojekt bringt eine vollkommen neue Art des Bauens voran. Ein erklärtes Ziel des SFB-1244 ist die Reduktion des Gebäudegewichts und somit auch der verbrauchten Materialien, sodass ein ressourcenschonender Umgang gefördert wird. Durch den verminderten Einsatz von Baustoffen wird die Recycelbarkeit besser gewähreistet. Zudem soll die graue Energie beim Bauen gesenkt werden, um so den großen Problemen unsere Gesellschaft, wie dem übermäßigen Energieverbrauch und infolge dessen der Erderwärmung, entgegen zu wirken. Die für das Erzeugen der Adaption erforderliche Energie ist diesen Einsparungen gegenüberzustellen.

Das Forschungsvorhaben ist in die folgenden Projektbereiche aufgeteilt, welche durch hochgradig multidisziplinäre Fragestellungen geprägt sind. Die beteiligen Institute sind unten aufgeführt und stammen aus vielfältigen Bereichen, wie Architektur, Bauingenieurwesen, Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt und Sozialwissenschaften.

A: Planungs- und Entwurfsmethodik

Die Verwendung von vollintegrierten adaptiven Elementen in Tragewerken erfordert die Weiterentwicklung der Planungsmethoden. Ein besonderer Schwerpunkt bilden dabei die Forschungen zu Entwurfs- bzw. Formfindungsmethoden unter Einbeziehung von Sensorik, Aktorik und Regelung sowie die Integration neu zu formulierender Sicherheitskonzepte.

Neben den tragenden Strukturen sind die Gebäudehüllen für üblicherweise sehr komplexe bauphysikalische Eigenschaften relevant. Diese sind in Bezug auf Wind, Feuchte, Sonneneinstrahlung oder Schall von entscheidender Bedeutung. Adaptive Gebäudehüllen können mit dem Nutzer interagieren und nehmen so Einfluss auf den Innenraumkomfort, bestehend aus Wohlfühlverhalten, Leistungsfähigkeit und Gesundheit der Bewohner. Es werden neuen Behaglichkeitskonzepte zur Einstellung optimaler Raumklimata entwickelt, die den energetischen Ansprüchen in Bezug auf Heizen, Kühlen usw. genügen.

Das ISYS bringt sich in folgen Teilbereichen ein:

  • A05: Bauphysikalische Systemkonzepte und Planungsmethoden für Konstruktion und Betrieb von adaptiven Bauwerken
  • A06: Bautechnische Integration von aktiven Elementen in die Gebäudestruktur

B: Systemtechnik und Auslegung

In diesem Projektbereich werden die technische Umsetzung und Systemintegration erarbeitet. Auf Grund der angestrebten Materialeinsparungen und der damit einhergehenden Reduzierung der mechanischen und thermischen Trägheit können Bauwerke nicht länger als stationäre Systeme betrachtet werden. Stattdessen wird ein systemtheoretischer Standpunkt eingenommen und die dynamische Interaktion zwischen Gebäude und Umwelt betrachtet. Durch die neuartige Bauweise treten Fragestellungen in der Vordergrund, die im Bereich der Systemdynamik angesiedelt sind. Der verminderte Einsatz von Baumaterial wird durch das Einbringen von Energie kompensiert. Durch äußere statische und dynamische Lasten werden im Tragwerk Spannungen, Verformungen und Beschleunigungen induziert, welche homogenisiert werden sollen. So werden Spitzenbelastungen vermieden, die zur Beschädigung des Tragwerks führen können oder der Nutzerkomfort und Wohlfühlcharakter des Gebäudes beeinträchtigt ist.

Um Vorhersagen über das Tragwerkverhalten treffen und mit systemtheoretischen Ansätzen anwenden zu können, sind Systemmodell wünschenswert. Die Modellierung und Simulation adaptiver Strukturen wird vorgenommen, sodass resultierende Modelle zum Beobachter-, Steuerungs- und Regelungsentwurf genutzt werden können. Eine wichtige Rolle kommt der Implementierung optischer Deformationsmessungen und Schätzung der Systemzustände zu. Der Einsatz von neuartigen Regelstrategien wird erforscht, z.B. aus dem Gebiet der vernetzten und verteilten Regelung. Das entwickelte System unterliegt strengen sicherheitskritischen Regularien, da ein Versagen katastrophale Auswirkungen hat. Deshalb müssen Methoden und Technologien für ausfallsichere Elemente und Fehlertoleranz bei Erhalt der Adaptivität entwickelt werden. Dieser Teilbereich übernimmt zusätzlich entscheidende Aufgabe in der technische Grundlegung, Methoden und Reduktion der visuellen Analyse von adaptiven Systemen.

Das ISYS bringt sich in folgen Teilbereichen ein:

  • B02: Schätzung des Systemzustands und optische Deformationsmessung
  • B03: Methoden und Technologien für ausfallsichere Elemente und Strukturen adaptiver Tragwerke
  • B04: Steuerungs- und Regelungskonzepte für adaptive Bauwerke

Da klassische Sensorik und Aktorik nur bedingt in adaptiven Strukturen verwendbar ist, werden in diesem Projektbereich neue Elemente erforscht. Dies umfasst die Entwicklung, Auslegung und Demonstration von kinematisch wirksamen, bauphysikalisch adaptierbaren Sandwichelementen, integrierter Fluidaktoren und sensorischen Hochleistungsfasern. Des Weiteren sollen Grundlagen für den Entwurf, die Herstellung und Implementierung bauphysikalisch adaptiver Elemente geschaffen werden.

In den nächsten vier Jahren wird auf dem Gelände der Universität Stuttgart ein adaptives zehngeschossiges Tragwerk erbaut, an welchem Untersuchungen durchgeführt und Forschungsergebnisse validiert werden. Dieser Teilbereich übernimmt weitere zentrale Aufgaben, z.B. den Bau kleiner Funktionsmuster und Validierungsprüfstände. Der Bau des Demonstrators entsteht aus der Zusammenarbeit der vorangegangenen Projektbereiche, die durch fundiere Forschungsresultate die theoretische Grundlage schaffen.

Das ISYS bringt sich in folgen Teilbereichen ein:

  • Z01: Funktionsmuster und Demonstrator
  • Z02: Zentrale Aufgaben des Sonderforschungsbereichs

 

Ein wichtiges Bewertungskriterium ist die Schaffung der Grundlagen für die ganzheitliche Bilanzierung von adaptiven Hüllen und Strukturen. So werden fundierte Aussagen über die Rentabilität und Energieeffizienz getroffen, um das erklärte Ziel des Sonderforschungsbereichs zu validieren. Die Analyse deckt die gesamt Lebensspanne ab, beginnend beim Abbau der Rohmaterialien, über die Produktion und Nutzung bis zum Rückbau. Des Weiteren werden gesellschaftlichen Erwartungen und Anforderungen erfasst, dass adaptive Strukturen breite Anerkennung finden.

Projektpartner

Publikationen

  • J. Wagner, J. Gade, F. Geiger, M. Heidingsfeld, M. Böhm, M. von Scheven, M. Bischoff & O. Sawodny, “On steady-state disturbance compensability for actuator placement in adaptive structures”, at - Automatisierungstechnik, 2018, doi:10.1515/auto-2017-0099
  • S. Weidner, C. Kelleter, P. Sternberg, W. Haase, F. Geiger, T. Burghardt, C. Honold, J. Wagner, M. Böhm, M. Bischoff, O. Sawodny & H. Binz, “The implementation of adaptive elements into an experimental high-rise building”, Steel Construction, 11, pp. 109-117, 2018, doi:10.1002/stco.201810019
  • M. Böhm, J. Wagner, S. Steffen, W. Sobek & O. Sawodny, “Homogenizability of Element Utilization in Adaptive Structures”, IEEE International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), 2019
  • J. Guenther, M. Oei, N. Harder & O. Sawodny, “Simulative Study and Potential Analysis of Inflatable Facade Elements to Balance Environmental Disturbances”, SMART, Paris, 2019
  • M. Oei, Y. Klett, N. Harder, D. Flemming & O. Sawodny, “Modelling the Flow and Heat Transfer Characteristics of Perforated Foldcore Sandwich Composites for Application in Room Air Conditioning”, IEEE International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Vancouver, Kanada, 2019
  • J. Wagner, M. Böhm & O. Sawodny, “Nonlinear Modeling and Control of Tension-only Elements in Adaptive Structures”, SMART, Paris, 2019
  • J. Wagner, K. Schmidt, M. Böhm & O. Sawodny, “Optimal Actuator Placement and Static Load Compensation for Euler-Bernoulli Beams with Spatially Distributed Inputs”, Mechatronics, Wien, 2019
  • A. Warsewa, M. Böhm, P. Rapp, O. Sawodny & C. Tarín, “Decentralized and Distributed Observer Design for Large-Scale Structures using Dynamic Condensation”, IEEE International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), 2019
  • J. Wagner, M. Böhm & O. Sawodny, “Model-Based Control of Integrated Fluidic Actuators for Adaptive Structures”, WCCM, New York, 2018
  • M. Heidingsfeld, P. Rapp, M. Böhm & O. Sawodny, “Gramian-based Actuator Placement with Spillover Reduction for Active Damping of Adaptive Structures”, IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Munich, Germany, 2017, pp. 904-909, doi:10.1109/AIM.2017.8014133
  • P. Rapp, M. Heidingsfeld, M. Böhm, O. Sawodny & C. Tarín, “Multimodal Sensor Fusion of Inertial, Strain, and Distance Data for State Estimation of Adaptive Structures using Particle Filtering”, IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Munich, Germany, 2017, pp. 921-928, doi:10.1109/AIM.2017.8014136
  • J. Wagner, M. Heidingsfeld, M. Böhm & O. Sawodny, “Gramian-Based Actuator Placement for Static Load Compensation in Adaptive Structures”, GACM Colloquium on Computational Mechanics, 2017, doi:10.18419/opus-9334

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