Modellbasierte Regelstrategien für adaptive Tragwerke

Von:

Julia L. Heidingsfeld

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Bauwerke sind von zentraler Relevanz im Leben der Menschen. Zu deren Erstellung wendet der Bausektor einen großen Anteil der weltweiten Ressourcen auf und stößt große Mengen an Treibhausgasen aus. Mit Blick auf den prognostizierten Baubedarf, werden neue Ansätze des Bauens gebraucht. Adaptive Gebäude bieten einen vielversprechenden Lösungsansatz. Im Vergleich zu konventionellen Bauten, beinhalten adaptive Gebäude Sensoren, Aktoren und eine Steuereinheit. Das Bauwerk ist dadurch in der Lage, sich aktiv an veränderliche Lasten anzupassen und das vorhandene Baumaterial effizient zu nutzen. Adaptive Tragwerke stellen neue Herausforderungen an die Branche, die nur mit einem interdisziplinären Ansatz gelöst werden können. Diese Dissertation beschäftigt sich mit regelungstechnischen Fragestellungen bei adaptiven Tragwerken und erprobt die Methoden unter anderem an einem 37m hohen adaptiven Hochhaus. Die Grundlage bildet die Modellierung der adaptiven Tragwerke. Insbesondere für druckschlaffe Elemente, die unter Druck keine Kraft übertragen, werden Modellgleichungen formuliert. Zum Betrieb adaptiver Tragwerke sind Regelungskonzepte zur Kompensation statischer Lasten und zur aktiven Dämpfung von Schwingungen notwendig. Die statische Lastkompensation reduzierte die mittlere Verformung eines Tragwerks um 87%. Für die aktive Schwingungsdämpfung wird die Methode der approximativ linearisierenden Eingangstransformation entwickelt, wobei der nichtlinearen Systemdynamik eine lineare Dynamik aufgeprägt wird. Anschließend wird eine Schwingungsdämpfung als modellprädiktive Regelung ausgeführt. Diese Dissertation folgt einer interdisziplinären Perspektive und schafft eine Basis für zukünftige regelungstechnische Arbeiten mit Bezug zu adaptiven Tragwerken.