DE102018218260A1 - Structure with adaptive stiffening elements - Google Patents
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- F16F15/027—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using fluid means comprising control arrangements
Abstract
Bei einem Tragwerk mit vertikalen und horizontalen Tragwerkselementen für ein Bauwerk sind schräg verlaufende Aussteifungselemente für eine horizontale Aussteifung des Tragwerks zwischen mehreren der vertikalen Tragwerkselemente verspannt. In mehrere dieser schräg verlaufenden Aussteifungselemente ist jeweils wenigstens ein Aktor integriert. Durch diese aktiven Aussteifungselemente lässt sich die Vorspannung entsprechend den jeweiligen Erfordernissen kurzfristig für einen beliebigen Zeitraum anpassen. Damit kann unmittelbar die Zug- und/oder Druckspannung des jeweiligen Aussteifungselementes verändert werden. Einem Aufschwingen des Tragwerks durch dynamische Kräfte kann dadurch unmittelbar entgegengewirkt werden, sodass die Spannungsspitzen in den Aussteifungselementen und anderen Tragwerkselementen geringer ausfallen. Dadurch müssen die Tragwerks- und Aussteifungselemente nicht mehr überdimensioniert werden und eine Material- und Gewichtseinsparung wird erreicht.In a structure with vertical and horizontal structure elements for a building, oblique stiffening elements for horizontal stiffening of the structure are clamped between several of the vertical structure elements. At least one actuator is integrated in each of these oblique stiffening elements. These active stiffening elements allow the prestress to be adjusted at short notice for any period of time according to the respective requirements. The tensile and / or compressive stress of the respective stiffening element can thus be changed directly. Swinging of the structure due to dynamic forces can thus be counteracted directly, so that the stress peaks in the stiffening elements and other structure elements are lower. As a result, the structural and stiffening elements no longer have to be oversized and material and weight savings are achieved.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tragwerk mit vertikalen und horizontalen Tragwerkselementen für ein Bauwerk, bei dem schräg verlaufende Aussteifungselemente für eine horizontale Aussteifung des Tragwerks zwischen mehreren der vertikalen Tragwerkselemente verspannt sind.The present invention relates to a structure with vertical and horizontal structure elements for a building, in which oblique stiffening elements for horizontal stiffening of the structure are clamped between several of the vertical structure elements.
Tragwerke dienen zum Lastabtrag von statischen und dynamischen Lasten eines Bauwerks. Der statische Anteil basiert auf dem Eigengewicht und den Nutz- und Störlasten, welche als konstant bzw. im Tagesverlauf nur langsam veränderlich angenommen werden. Dynamische Lasten ergeben sich durch die Wechselwirkung mit der Umgebung des Tragwerks oder Bauwerks, wie bspw. beim plötzlichen Aufkommen von Winden bzw. veränderlichen Windgeschwindigkeiten oder bei Erdbeben.Structures are used to transfer the static and dynamic loads of a building. The static part is based on the dead weight and the payload and interference loads, which are assumed to be constant or only slowly changing during the day. Dynamic loads result from the interaction with the surroundings of the structure or structure, such as, for example, when winds suddenly arise or changing wind speeds or during earthquakes.
Die Auslegung von konventionellen Tragwerken mit rein passiven Tragwerks- und Aussteifungselementen orientiert sich am kritischen Lastfall oder der kritischen Lastfallkombination und den dabei auftretenden maximalen Beanspruchungen der Tragstruktur. Dies tritt jedoch innerhalb des Lebenszyklus eines Bauwerks nur extrem selten oder nie auf. Das Tragwerk ist somit in der Regel überwiegend überdimensioniert.The design of conventional structures with purely passive structure and reinforcement elements is based on the critical load case or the critical load case combination and the resulting maximum stresses on the support structure. However, this occurs extremely rarely or never within the life cycle of a building. The structure is therefore usually largely oversized.
Tragwerke in Fachwerkbauweise weisen horizontale und vertikale Tragwerkselemente auf, wobei zwischen den vertikalen Tragwerkselementen, auch als Stützen bezeichnet, schräg verlaufende Aussteifungselemente verspannt sind. Die Aussteifungselemente leiten (dynamische) Querkräfte ab und sorgen durch die Versteifung dafür, dass eine Verrautung der Tragwerkssegmente minimiert wird. In der Regel werden als Aussteifungselemente druckschlaffe Zugelemente wie Seile oder Flachstähle eingesetzt, die bei der Errichtung des Tragwerks in der Regel einmalig vorgespannt werden, um ein Ausknicken bei auftretenden Druckkräften zu verhindern. Die Vorspannung erfordert jedoch eine entsprechend höhere Dimensionierung der Querschnitte in den Aussteifungselementen und dem restlichen Tragwerk. Tatsächlich ist eine entsprechend hohe Vorspannung jedoch nur bei einer entsprechend hohen dynamischen Belastung und somit nur zeitweise erforderlich.Structures with a half-timbered construction have horizontal and vertical structural elements, oblique stiffening elements being braced between the vertical structural elements, also referred to as supports. The stiffening elements dissipate (dynamic) transverse forces and, thanks to the stiffening, ensure that the structural segments are minimized. As a rule, slack tensile elements such as ropes or flat steel are used as stiffening elements, which are usually prestressed once when the structure is erected to prevent buckling when compressive forces occur. The prestressing, however, requires a correspondingly higher dimensioning of the cross sections in the stiffening elements and the rest of the supporting structure. In fact, however, a correspondingly high preload is only necessary at times of a correspondingly high dynamic load.
Stand der TechnikState of the art
Zur Erdbebensicherung von Bauwerken ist der Einsatz aktiver Elemente bekannt, die zusätzlich zu den passiven Tragelementen des Tragwerks eingesetzt werden. Diese aktiven Elemente dienen insbesondere der Schwingungstilgung.For earthquake protection of buildings, the use of active elements is known, which are used in addition to the passive supporting elements of the structure. These active elements are used in particular to dampen vibrations.
Grundsätzlich kann zwischen passiven Systemen, aktiven Systemen, semi-aktiven Systemen und hybriden Systemen unterschieden werden. Passive Systeme mit rein passiven Tragwerkselementen benötigen keine externe Energiezufuhr. Hervorgerufene Reaktionen werden durch Bauwerksbewegungen verursacht. Beispiele hierzu sind die Energiedissipation mit Schwingungstilgern oder -dämpfern sowie die Formadaption, um u. a. eine Ausrichtung entsprechend der Windrichtung zu realisieren. Aktive Systeme reagieren auf externe Einflüsse, um das Verhalten der Struktur, wie bspw. Verformungen, Schwingungseigenschaften oder den inneren Kraftfluss zu beeinflussen bzw. zu optimieren. Um die hierfür erforderlichen Kräfte, Stellwege etc. aufbringen zu können, sind bei aktiven Systemen externe Energiequellen erforderlich. Semi-aktive Systeme weisen die Fähigkeit auf, die Systemeigenschaften wie Steifigkeit oder Dämpfung anpassen zu können und benötigen trotz hoher Leistungsfähigkeit keine leistungsstarken, externen Energiequellen. Beispiele eines solchen Systems sind Dämpfer mit regelbarem elektro- oder magnetorheologischem Fluid. Hybride Systeme basieren auf der Kombination von passiven, aktiven oder semi-aktiven Systemen.A basic distinction can be made between passive systems, active systems, semi-active systems and hybrid systems. Passive systems with purely passive structural elements do not require an external energy supply. Evoked reactions are caused by building movements. Examples include the energy dissipation with vibration absorbers or dampers as well as the shape adaptation to u. a. realizing an orientation according to the wind direction. Active systems react to external influences in order to influence or optimize the behavior of the structure, such as deformations, vibration properties or the internal flow of forces. In order to be able to apply the necessary forces, travel ranges, etc., external energy sources are required for active systems. Semi-active systems have the ability to adapt system properties such as rigidity or damping and, despite their high performance, do not require high-performance, external energy sources. Examples of such a system are dampers with controllable electro- or magnetorheological fluid. Hybrid systems are based on the combination of passive, active or semi-active systems.
Aus der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Tragwerk mit vertikalen und horizontalen Trag- und schräg verlaufenden Aussteifungselementen für Bauwerke anzugeben, das eine Material- und Gewichtseinsparung für das Tragwerk ermöglicht.The object of the present invention is to provide a supporting structure with vertical and horizontal supporting and inclined stiffening elements for buildings, which enables material and weight to be saved for the supporting structure.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Tragwerk sowie dem Aussteifungselement gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Tragwerks sowie des Aussteifungselements sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the structure and the stiffening element according to
Das vorgeschlagene Tragwerk weist mehrere vertikale und horizontale Tragwerkselemente sowie schräg verlaufende Aussteifungselemente zwischen mehreren der vertikalen Tragwerkselemente auf. Die Tragwerkselemente stellen die tragenden Elemente des Tragwerks dar. Die schräg verlaufenden Aussteifungselemente sind zwischen den vertikalen Tragwerkselementen verspannt und dienen der horizontalen Aussteifung des Tragwerks, bei dem es sich insbesondere um ein Fachwerk handeln kann. Die schräg verlaufenden Aussteifungselemente sind jeweils zwischen benachbarten vertikalen Tragwerkselementen verspannt, wobei die Aussteifungselemente zwischen allen vertikalen Tragwerkselementen oder auch nur zwischen einem Teil dieser Tragwerkselemente verspannt sein können. Weiterhin können Aussteifungselemente auch zwischen horizontalen Tragwerkselementen verspannt sein. Die Aussteifungselemente können hierbei druckschlaff, beispielsweise in Form von Seilen oder Flachstählen, oder auch drucksteif, beispielsweise in Form entsprechender knicksteifer Profile, ausgebildet sein und verlaufen vorzugsweise diagonal zwischen jeweils benachbarten vertikalen Tragwerkselementen. Das vorgeschlagene Tragwerk zeichnet sich dadurch aus, dass in eines oder mehrere der schräg verlaufenden Aussteifungselemente oder zwischen eines oder mehrere der schräg verlaufenden Aussteifungselemente und einem Tragwerkselement jeweils wenigstens ein Aktor integriert ist, über den die Zug- bzw. Druckspannung oder Vorspannung des jeweiligen Aussteifungselementes, ggf. über einen geeigneten Mechanismus, verändert werden kann. Bei den Aktoren handelt es sich hierbei um kraft- oder längenmanipulierbare Aktoren.The proposed structure has several vertical and horizontal structure elements as well as inclined stiffening elements between several of the vertical structural elements. The structure elements represent the load-bearing elements of the structure. The oblique stiffening elements are braced between the vertical structure elements and serve to horizontally stiffen the structure, which can be a truss in particular. The inclined stiffening elements are each clamped between adjacent vertical structural elements, wherein the stiffening elements can be clamped between all vertical structural elements or only between a part of these structural elements. Furthermore, stiffening elements can also be braced between horizontal structural elements. The stiffening elements can be designed to be slack, for example in the form of ropes or flat steels, or also to be stiff in compression, for example in the form of corresponding kink-resistant profiles, and preferably run diagonally between adjacent vertical structural elements. The proposed structure is characterized in that at least one actuator is integrated into one or more of the obliquely extending stiffening elements or between one or more of the obliquely extending stiffening elements and a supporting structure element, via which the tensile or compressive stress or prestressing of the respective stiffening element, if necessary using a suitable mechanism. The actuators are force or length manipulable actuators.
Bei dem vorgeschlagenen Tragwerk werden somit einige oder alle zwischen vertikalen Tragelementen verspannte Aussteifungselemente mit einer integrierten Aktorik ausgestattet, über die eine Zug- und/oder Druckspannung bzw. Vorspannung der Aussteifungselemente aktiv verändert werden kann. Durch diese Integration mindestens eines Aktors in das jeweilige Aussteifungselement oder die Einbringung der Aktorik zwischen Aussteifungselement und umgebendem Tragwerk, und somit in den Kraftfluss durch dieses Aussteifungselement, lässt sich die Vorspannung entsprechend den jeweiligen Erfordernissen kurzfristig für einen beliebigen Zeitraum anpassen. Damit kann das Lastabtragverhalten des Gesamttragwerks auch für statische Lasten verändert werden. Durch das vorgeschlagene adaptive Tragwerk kann der Lastabtrag bzw. der Anteil des Lastabtrags eines Tragwerkselements aktiv beeinflusst werden.In the proposed structure, some or all of the stiffening elements braced between vertical support elements are thus equipped with an integrated actuator system, via which a tensile and / or compressive stress or prestressing of the stiffening elements can be actively changed. Through this integration of at least one actuator in the respective stiffening element or the incorporation of the actuators between the stiffening element and the surrounding structure, and thus in the flow of force through this stiffening element, the prestress can be adapted at short notice for any period of time according to the respective requirements. This means that the load transfer behavior of the entire structure can also be changed for static loads. The proposed adaptive structure can actively influence the load transfer or the proportion of load transfer of a support element.
In Verbindung mit zusätzlichen Sensoren am Tragwerk bzw. den Tragwerks- und/oder Aussteifungselementen lässt sich mittels einer Echtzeitregelung der Lastabtrag so optimieren, dass die Tragwerkskomponenten möglichst gleichmäßig beansprucht und die Spannungsverläufe innerhalb der Tragwerksquerschnitte möglichst homogen sind. Gleichzeitig können die auftretenden Schwingungsamplituden reduziert bzw. gedämpft werden. Dadurch wird eine bessere Materialausnutzung erreicht und es lassen sich Tragwerkskomponenten mit geringerem Materialeinsatz und geringerem Gewicht realisieren. Die Tragwerkselemente müssen damit nur noch für ständige Lasten, wie z.B. das Eigengewicht des Bauwerks, ausgelegt werden, wodurch erhebliche Gewichtseinsparungen möglich sind.In connection with additional sensors on the structure or the structure and / or stiffening elements, the load transfer can be optimized using real-time control so that the structure components are stressed as evenly as possible and the stress curves within the structure cross sections are as homogeneous as possible. At the same time, the vibration amplitudes that occur can be reduced or damped. This results in better material utilization and it is possible to realize structural components with less material and less weight. The structural elements only have to be used for permanent loads, e.g. the dead weight of the structure, which allows considerable weight savings.
Das vorgeschlagene Aussteifungselement für ein Tragwerk weist dementsprechend wenigstens einen Aktor auf, der so in das Aussteifungselement integriert ist oder daran befestigt ist, dass er bei Einspannung des Aussteifungselementes zwischen zwei Tragwerkselemente eines Tragwerks die Spannungen im Aussteifungselement durch entsprechende Ansteuerung aktiv verändern kann. Das Aussteifungselement kann hierbei druckschlaff oder drucksteif ausgebildet sein.The proposed stiffening element for a supporting structure accordingly has at least one actuator which is integrated into the stiffening element or is fastened to it so that it can actively change the stresses in the stiffening element by appropriate control when the stiffening element is clamped between two supporting elements of a supporting structure. The stiffening element can be designed to be slack or rigid.
Die Aktoren müssen bei dem vorgeschlagenen Tragwerk bzw. Aussteifungselement nicht ständig mit Energie versorgt werden, sondern lediglich bei Auftreten dynamischer oder zusätzlicher statischer Lasten, beispielsweise von Lasten, die sich durch Wechselwirkung mit der Umgebung, insbesondere durch Winde oder auch durch Erdbeben, Schneelast oder Nutzlast ergeben. Durch die Aufnahme derartiger dynamischer oder zusätzlicher statischer Lasten durch die vorgeschlagenen Aussteifungselemente mit integrierter Aktorik kann der Querschnitt der anderen Tragwerkselemente des Tragwerks reduziert und somit Material und Gewicht eingespart werden.In the proposed structure or stiffening element, the actuators do not have to be continuously supplied with energy, but only when dynamic or additional static loads occur, for example loads that are caused by interaction with the environment, in particular by winds or also by earthquakes, snow load or payload surrender. By absorbing such dynamic or additional static loads through the proposed stiffening elements with integrated actuators, the cross section of the other structural elements of the structure can be reduced and thus material and weight can be saved.
Die aktive Steuerung oder Regelung der jeweiligen Aktoren erfolgt über geeignete Sensoren am Tragwerk oder am Bauwerk, beispielsweise über Dehnungs- und/oder Beschleunigungssensoren, und einen entsprechenden Steuer- oder Regelalgorithmus einer Steuer- oder Regeleinheit. Die Aktoren können nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten, solange sie die für das jeweilige Tragwerk erforderlichen Änderungen der Spannung des Aussteifungselementes durchführen können. Beispiele für geeignete Aktoren sind Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, Lineardirektantriebe sowie Piezoaktoren. Denkbar sind bei entsprechender Mechanik auch elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch angetriebene rotatorische Antriebe. Das vorgeschlagene Tragwerk eignet sich besonders für Hochhäuser, Brücken oder ähnliche Bauwerke, bei denen durch die vorliegende Erfindung eine hohe Einsparung an Material ermöglicht wird. Selbstverständlich lässt sich das vorgeschlagene Tragwerk bei Bedarf jedoch auch für andere Arten von Bauwerken einsetzen.The active control or regulation of the respective actuators takes place via suitable sensors on the structure or on the structure, for example via expansion and / or acceleration sensors, and a corresponding control or regulation algorithm of a control or regulation unit. The actuators can work according to different principles, as long as they can carry out the changes in the tension of the stiffening element required for the respective structure. Examples of suitable actuators are hydraulic or pneumatic cylinders, linear direct drives and piezo actuators. With appropriate mechanics, electrically, pneumatically or hydraulically driven rotary drives are also conceivable. The proposed structure is particularly suitable for high-rise buildings, bridges or similar structures in which the present invention enables a high saving in material. Of course, the proposed structure can also be used for other types of structures if required.
Figurenliste Figure list
Das vorgeschlagene Tragwerk sowie ein darin eingesetztes erfindungsgemäßes Aussteifungselement werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 einen allgemeinen Aufbau eines Tragwerksegments in Fachwerkbauweise gemäß dem Stand der Technik und dessen Verrautung beim Auftreten äußerer dynamischer Querkräfte; -
2 eine Darstellung des Funktionsprinzips eines Tragwerks mit aktiven Aussteifungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung; -
3 eine Darstellung eines schematischen Kraftverlaufs von statischen und dynamischen Kräften eines drucksteifen Aussteifungselements mit und ohne Zuschalten des Aktors; -
4 ein erstes Beispiel einer in das Aussteifungselement gemäß der vorliegenden Erfindung integrierten Aktorik; und -
5 ein zweites Beispiel einer in das Aussteifungselement gemäß der vorliegenden Erfindung integrierten Aktorik.
-
1 a general structure of a truss structure in the framework of the prior art and its marriage when external dynamic transverse forces occur; -
2nd a representation of the principle of operation of a structure with active stiffening elements according to the present invention; -
3rd a representation of a schematic force profile of static and dynamic forces of a pressure-resistant stiffening element with and without switching on the actuator; -
4th a first example of an actuator integrated in the stiffening element according to the present invention; and -
5 a second example of an actuator integrated in the stiffening element according to the present invention.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Bei dem vorgeschlagenen Tragwerk werden zumindest einige der zwischen vertikalen Tragwerkselementen schräg verlaufenden Aussteifungselemente mit einer Aktorik ausgestattet, die eine Zug- und/oder Druck- oder Vorspannung des jeweiligen Aussteifungselementes aktiv beeinflussen kann. Das Tragwerk ist dabei in den folgenden Beispielen als Fachwerk ausgebildet. Derartige Tragwerke in Fachwerkbauweise sind in der Regel aus Stützen als vertikalen Tragwerkselementen
Die Aussteifungselemente
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Tragwerk werden Aussteifungselemente mit integrierten Aktoren eingesetzt, über die die Vorspannung bzw. die Zug- und/oder Druckspannung in den Aussteifungselementen bei Bedarf verändert bzw. an die jeweilige Last angepasst werden kann. Einem Aufschwingen des Tragwerks durch dynamische Kräfte kann dadurch unmittelbar entgegengewirkt werden, sodass die Spannungsspitzen in den Aussteifungselementen und anderen Tragwerkselementen geringer ausfallen. Dadurch ist eine höhere Dimensionierung der Aussteifungs- und Tragwerkselemente mit entsprechend höheren Querschnitten nicht mehr erforderlich, so dass insgesamt Material und Gewicht eingespart wird. Mit der Integration des wenigstens einen Aktors in ein Aussteifungselement bzw. durch die Reihenschaltung von Aktorik und Aussteifungselement kann der Lastabtrag bzw. der Anteil des Lastabtrags des Aussteifungselements aktiv beeinflusst werden.
In
Das in
Das aktive Aussteifungselement besteht in der druckschlaffen Variante aus Zugelementen, wie beispielsweise Seilen oder Flachstählen, die dem Anschluss an andere Tragwerkselemente dienen. Die Zugelemente
Der Aufbau der Aktorik kann beispielsweise in folgender Weise gestaltet werden. Zuganker
Eine drucksteife Variante lässt sich im Aufbau analog realisieren. Hierfür sind jedoch die Zugelemente
Mit dem vorgeschlagenen aktiven Aussteifungselement lässt sich die Steifigkeit eines Tragwerks aktiv und unmittelbar beeinflussen. Durch die Beeinflussung des Lastabtrags kann der Querschnitt der tragenden Bauteile signifikant reduziert und somit Ressourcen sowie graue Energie eingespart werden. Die Schwingungen innerhalb einer Tragstruktur können aktiv gedämpft und somit die Lebensdauer der Bauteile verlängert werden. Ein Bauwerk mit einer adaptiven Tragstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann sich an wechselnde (Last-) Bedingungen optimal anpassen. Die initiale Vorspannung der Aussteifungselemente kann sehr niedrig gewählt und direkt in der Aktorbaugruppe eingestellt werden. Diese muss mit Hilfe der Aktoren nur erhöht werden, wenn dynamische Lasten dies erfordern. Die Baugruppe ermöglicht auch das Aufbringen einer statischen (Mindest-)Vorspannung für den Fall eines Aktorausfalls etc.With the proposed active stiffening element, the rigidity of a structure can be actively and directly influenced. By influencing the load transfer, the cross section of the load-bearing components can be significantly reduced, thus saving resources and gray energy. The vibrations within a support structure can be actively damped, thus extending the life of the components. A building with an adaptive support structure according to the present invention can adapt optimally to changing (load) conditions. The initial prestressing of the stiffening elements can be chosen to be very low and set directly in the actuator assembly. This only needs to be increased with the help of the actuators if dynamic loads require it. The module also enables the application of a static (minimum) preload in the event of an actuator failure etc.
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Vertikales TragelementVertical support element
- 22nd
- Horizontales TragelementHorizontal support element
- 33rd
- AussteifungselementStiffening element
- 44th
- AktorActuator
- 4a4a
- ZugaktorTrain actuator
- 4b4b
- DruckaktorPressure actuator
- 55
- ZugelementTension element
- 66
- AnschlussplatteSub-base
- 77
- ZugankerTie rod
- 88th
- Quer- bzw. StörkraftCross or interference force
- 99
- ElementkraftElement power
- 1010th
- AktorkraftActuator force
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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