Leichtbau-Konstruktion 15.06.2021, 15:31 Uhr

Material sparen mit Ultraleichtbau und adaptiven Tragwerkselementen

Mit Leichtbau-Konstruktionen können Rohstoffe eingespart werden. Doch das Tragwerk muss trotzdem alle Lasten aufnehmen. Aktive, adaptive Tragwerkelemente von der Universität Stuttgart sollen jetzt dabei helfen, Lastabtragsverhalten in einem Tragwerk zu manipulieren. Damit werden Ultraleichtbau-Konstruktionen möglich.

Mit den aktiven, adaptiven Tragwerkselementen kann das Lastabtragsverhalten in einem Tragwerk manipuliert werden. Foto: ISYS + IKTD, Uni Stuttgart

Mit den aktiven, adaptiven Tragwerkselementen kann das Lastabtragsverhalten in einem Tragwerk manipuliert werden.

Foto: ISYS + IKTD, Uni Stuttgart

Auf der Suche nach Einsparungen von Rohstoffen im Bausektor können Leichtbau-Konstruktionen eine Lösung bieten. Bei ihnen wird weniger Material eingesetzt. Doch trotz weniger Material muss das Tragwerk der Konstruktion den auftretenden Belastungen standhalten. Die auftretenden Belastungen im Tragwerk sind aber nicht immer im Vorhinein bekannt, sodass sehr konservative Abschätzungen von den Planerteams vorgenommen werden. Dadurch sind die Tragwerke weiterhin überdimensioniert. Damit dies verhindert wird, hat ein Forscherteam der Universität Stuttgart für die entsprechende Lastaufnahme des Tragwerks bei Leichtbau-Konstruktion aktive, adaptive Tragwerkselemente entwickelt. Mit ihnen ist die Sicherheit des Tragwerks gewährleistet und in einem Tragwerk können sie das Lastabtragsverhalten manipulieren. Um dies zu erreichen, integriert das Team Aktoren in die Tragstruktur. Diese Aktoren sind aktive Elemente, die parallel oder seriell eingebaut werden. Für die wirtschaftliche Umsetzung der Erfindung vergab die Universität Stuttgart den Auftrag an die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH. Für die aktiven, adaptiven Tragwerkselemente wurden Patente angemeldet.

Ein Leichtbau-Tragwerk wird zum Ultraleichtbau-Tragwerk

Gemeinsam mit Timon Burghardt vom Institut für Konstruktion und Technisches Design (IKTD) entwickelten Julia Wagner und Dr. Michael Böhm am Institut für Systemdynamik (ISYS) Aktorik-Baugruppen. Dabei werden aktive Elemente mit mechanischen Bauelementen, die die Kraftübertragung übernehmen, zusammengesetzt. Die mechanischen Bauelemente übernehmen im passiven Zustand die Aufrechterhaltung der Vorspannung. Dadurch entfallen für die Vorspannung zusätzliche Elemente. Die Aktorik-Baugruppen ergänzen ein Leichtbau-Tragwerk zu einem Ultraleichtbau-Tragwerk. Dies ist dann in der Lage, aktiv dynamische und statische Lasten auszugleichen. Je nach Belastungszustand leiten die Elemente Zug- oder Druckkräfte aus oder ab. Damit dieses automatisch geschieht, werden die Elemente mit einer Sensorik und Steuereinheit kombiniert. Dabei ist es möglich, die Elemente hydraulisch, pneumatisch oder (piezo-) elektrisch zu betreiben. Mit den adaptiven Tragwerkselementen ist nicht nur eine Einsparung an Material für ein Bauwerk möglich. Durch die Dämpfung der Schwingungen wird auch die Lebensdauer der tragenden Strukturen verlängert. Das Forscherteam kann sich vorstellen, dass die Aktoren bei allen Hochhäusern oder auch bestehenden Bauwerken, wie zum Beispiel Brücken, eingesetzt werden können.

In dem Demonstartionsgebäude auf dem Campus der Universität Stuttgart werden die adaptiven Tragwerkselemente in der Praxis erforscht.

Foto: ISYS + IKTD, Uni Stuttgart

Praxistest der adaptiven Tragwerkselemente

In einem Demonstrationsgebäude wird die Praxistauglichkeit der adaptiven Tragwerkselemente erforscht. Dieses 37 Meter hohe adaptive Hochhaus entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1244 der Deutschen Forschungsgemeinschaft auf dem Campus der Universität Stuttgart. Die Führung des Sonderforschungsbereichs 1244 haben Prof. Werner Sobek (Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren, ILEK) und Prof. Oliver Sawodny (Institut für Systemdynamik, ISYS) übernommen und geht der Frage nach, wie mit weniger Material Wohnraum für die wachsende Zahl der Weltbevölkerung geschaffen werden kann. 14 universitäre Fachbereiche beschäftigen sich damit, das Potenzial und die Anwendbarkeit von adaptiven Gebäudehüllen und Strukturen im Bauwesen zur Reduzierung von Material und Energie zu erforschen. Gleichzeitig soll aber der Nutzerkomfort gesteigert werden. Das Forscherteam berücksichtigt dabei nicht nur einzelne (Bau-)Komponenten, sondern auch deren Einbindung in das gesamte System.

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Von Technologie Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH

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