Intelligente Bauwerke
Adaptive Strukturen
Die Erfüllung zahlreicher Anforderungen hinsichtlich der Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit von Tragwerken führt oftmals zu einem Konflikt zwischen konstruktiven, wirtschaftlichen und ästhetischen Ansprüchen. Von besonderer Bedeutung sind dabei Laststeigerungen, erhöhte Ansprüche an die Struktur sowie unplanmäßige und unvorhergesehene Einwirkungssituationen. Daraus entstehende Konsequenzen können unter Berücksichtigung wirtschaftlicher und ökologischer Ansprüche und unter Einsatz üblicher passiver Entwurfs- und Verstärkungsmaßnahmen zu Herausforderungen beim Tragwerksentwurf und oftmals sogar zu schwerwiegenden Einschränkungen führen. Die Entwicklung neuer Konstruktionstypen und Bauweisen ist zur Überwindung dieser Barriere unabdingbar. Durch den Einsatz geeigneter Regelungsvorgänge wird das natürliche Prinzip der Selbstanpassung auf Tragstrukturen übertragen. Die Technologie der Adaptiven Vorspannung basiert auf der Anpassung des Vorspannungszustandes – dazu zählen insbesondere die Vorspannkraft und die Spanngliedführung – zur Optimierung gemessener Tragwerksreaktionen und der zugehörigen Strukturkondition. Diese adaptiv vorgespannten Tragwerke sind durch ihre Anpassungsfähigkeit in der Lage, ihren Beanspruchungszustand jederzeit zu optimieren und insbesondere kritische Zustandsbereiche zu vermeiden. Dadurch werden vielfältige Potentiale erschließbar, die unter anderem von Monitoringstrategien und der Befähigung zu Schwingungskontrollen über signifikante Erhöhungen der Leistungsfähigkeit, der Lebensdauer und der Nachhaltigkeit von Bauwerken bis zur Realisierbarkeit bisher nicht möglicher Strukturen reichen.
Im Rahmen einer grundsätzlichen Machbarkeitsstudie wurde am Institut für Massivbau eine adaptive Spannbetonstruktur entwickelt und realisiert. Das System basiert auf einem Regelungskreislauf, bei dem auf Basis gemessener Tragwerksreaktionen eine zur Optimierung notwendige Adaption der Vorspannkraft ermittelt und anschließend durch ein Stellsystem realisiert wird. Das dafür entwickelte lernfähige Fuzzy-Regelungssystem wurde mit verschiedenen Wissensbasen, Aktionskriterien und Lernprozessen ausgestattet. Dabei wurden zur weiteren Optimierung des Regelungssystems Methoden der künstlichen Intelligenz implementiert. Die Einsetzbarkeit des entwickelten Systems wurde mittels praktischer Versuche an zwei unterschiedlichen Prototypen verifiziert und ausführlich demonstriert. Dafür wurde die Adaptive Vorspannung einerseits zur Verformungsminimierung an einer Aluminiumtraverse und andererseits mit dem Ziel der Beanspruchungsoptimierung an einem intakten sowie einem vorgeschädigten Betonplattenbalken eingesetzt. Durch die algorithmischen Adaptions- und Lernprozesse wurde eine Erhöhung der Qualität, Zuverlässigkeit und Robustheit der Fuzzy-Regelung erzielt. Im Rahmen der Experimente konnten auftretende Verformungen erheblich verringert und mögliche Traglasten bedeutend erhöht werden. Das Forschungsprojekt „Entwicklung einer adaptiven Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem“ wurde durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) im Rahmen des „Nationalen Innovationsprogramms Straße“ finanziell gefördert.
Aktuelle Untersuchungen betreffen die Entwicklung eines grundlegenden Konzeptes für den Entwurf adaptiv vorgespannter Tragwerke. Basierend auf den Ergebnissen von ausführlichen Potential- und Sensitivitätsstudien wird das entwickelte Regelungskonzept zur Anpassung der Vorspannkraft und/oder der Spanngliedführung erweitert. Zur Evaluation und Integration im Entwurfsprozess zu berücksichtigender Restriktionen werden einflussreiche sicherheitsrelevante Kriterien ermittelt und eine konzeptuelle Grundlage zu deren Berücksichtigung entwickelt. Ausgehend von hoch beanspruchten und stark exponierten Brückenbauwerken bietet das Konzept auch eine Basis zur Anwendung auf andere vorgespannte Bauteile wie Platten, Windenergieanlagen, Becken und Tanks. Die resultierende zu entwickelnde Konzeption bietet eine weitreichende Grundlage für den optimierten Entwurf von Tragwerken mit Adaptiver Vorspannung.
Das Forschungsthema wird den folgenden Profilschwerpunkten der Fakultät für Ingenieurwissenschaften zugeordnet:
Human-centered Cyber-physical Systems
Literatur
Schnellenbach-Held, M., Fakhouri, A., Steiner, D., Kühn, O.: Adaptive Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Brücken- und Ingenieurbau Heft B 101, Bergisch Gladbach, 2014.
Schnellenbach-Held, M., Steiner, D: Adaptiv vorgespannte Konstruktionen. Bauingenieur 88 (2013), S.463 – 470.
Schnellenbach-Held, M., Steiner, D., Fakhouri, A., Kühn, O.: Adaptive Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem. Bauingenieur 89 (2014), S.57 – 66.
Schnellenbach-Held, M., Steiner, D.: Self-Tuning Closed-Loop Fuzzy Logic Control Algorithm for Adaptive Prestressed Structures. Structural Engineering International 24 (2014), S.163 – 172.
