DE102018218260A1 - Structure with adaptive stiffening elements - Google Patents

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DE102018218260A1
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Inventor
Julia Laura Wagner
Michael Böhm
Clemens Honold
Timon Burghardt
Walter Haase
Oliver Sawodny
Hansgeorg Binz
Werner Sobek
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Universitaet Stuttgart
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Universitaet Stuttgart
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    • E04HBUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
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    • E04H9/0237Structural braces with damping devices
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
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    • F16F15/02Suppression 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
    • F16F15/023Suppression 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
    • F16F15/027Suppression 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 US 9,896,836 B1 ist eine Tragwerkstruktur bekannt, bei der zur Schwingungstilgung eine semiaktive Rotations-Bandbremse eingesetzt wird. Diese Bandbremse wird an der Bodenplatte oder einer Geschossdecke des Bauwerks verankert und dämpft die Auslenkung eines schräg zwischen vertikalen Tragwerkselementen verlaufenden Aussteifungselementes. Zusätzlich kann in dieses Aussteifungselement auch ein passives Dämpfungselement in Form eines hydraulischen Hubkolbens integriert sein. Mit einem derartigen System lässt sich jedoch der Materialeinsatz für ein Tragwerk nicht reduzieren. Diese Lösung erfordert zudem entsprechende Stellflächen für die Anordnung der Bandbremsen.From the US 9,896,836 B1 a structure is known in which a semi-active rotary band brake is used for vibration damping. This band brake is anchored to the floor slab or a floor of the building and dampens the deflection of a stiffening element that runs diagonally between vertical structural elements. In addition, a passive damping element in the form of a hydraulic lifting piston can also be integrated into this stiffening element. With such a system, however, the use of materials for a structure cannot be reduced. This solution also requires appropriate space for the arrangement of the band brakes.

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 claims 1 and 6. Advantageous configurations of the structure and the stiffening element are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

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.
The proposed structure and a stiffening element according to the invention used therein are explained in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Here show:
  • 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 1, zwischen den Stützen verlaufenden horizontalen Tragwerkselementen 2 und Aussteifungselementen 3 aufgebaut, wie dies in 1 anhand eines Tragwerkssegmentes eines derartigen Tragwerks schematisch dargestellt ist. Die Aussteifungselemente 3 leiten dynamische Querkräfte 8 ab und sorgen durch die Versteifung dafür, dass eine Verrautung der einzelnen Tragwerksegmente minimiert wird. In 1 ist hierbei im linken Teil zunächst ein Tragwerkssegment ohne Aussteifungselemente zu erkennen. Bei Auftreten von Querkräften 8, wie sie durch die Pfeile angedeutet sind, erfolgt eine zu vermeidende Verrautung dieses Tragwerksegmentes. Durch die Nutzung entsprechender Aussteifungselemente 3 zwischen den vertikalen Tragwerkselementen 1 wird eine derartige Verrautung bei Einwirkung von Querkräften 8 verhindert oder zumindest deutlich verringert, wie dies im rechten Teil der 1 angedeutet ist.In the proposed structure, at least some of the bracing elements that run obliquely between vertical supporting elements are equipped with an actuator system that can actively influence a tensile and / or compressive or prestressing of the respective bracing element. In the following examples, the structure is designed as a framework. Such truss structures are usually made of columns as vertical structural elements 1 , horizontal structural elements running between the supports 2nd and stiffening elements 3rd built up like this in 1 is shown schematically using a structural segment of such a structure. The stiffening elements 3rd conduct dynamic lateral forces 8th and ensure through the stiffening that a roughening of the individual structural segments is minimized. In 1 In the left part, a supporting structure segment without stiffening elements can be seen. When lateral forces occur 8th As indicated by the arrows, this structural segment is to be avoided. By using appropriate stiffening elements 3rd between the vertical structural elements 1 such a bridle is exposed to transverse forces 8th prevented or at least significantly reduced, as in the right part of the 1 is indicated.

Die Aussteifungselemente 3 und auch die Tragwerkselemente 1, 2 müssen hierbei jedoch bereits bei der Errichtung des Tragwerks auf entsprechende Lasten eingestellt sein. Insbesondere muss eine ausreichend hohe Vorspannung in den Aussteifungselementen 3 realisiert werden. Diese Vorspannung sorgt jedoch für eine entsprechend höhere Dimensionierung der Querschnitte in den Aussteifungselementen und den Tragwerkselementen.The stiffening elements 3rd and also the structural elements 1 , 2nd However, it must be set to the appropriate loads when the structure is erected. In particular, there must be a sufficiently high preload in the stiffening elements 3rd will be realized. However, this preload ensures a correspondingly higher dimensioning of the cross sections in the stiffening elements and the structural elements.

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. 2 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines mit derartigen aktiven bzw. adaptiven Aussteifungselementen ausgestatteten Tragwerks anhand der Visualisierung des Tragwerks in inaktivem, stark schwingendem Zustand (linker Teil der Figur) sowie in aktivem Zustand mit gedämpfter Schwingung (rechter Teil der Figur). Die Aktoren 4 der Aussteifungselemente 3 sind hierbei lediglich im rechten Teil der Figur angedeutet. Durch die Beeinflussung der Zugspannung mit den Aktoren 4 im rechten Teil der Figur können die einwirkenden Kräfte aufgenommen und somit eine Verrautung des Tragwerksegments auch bei entsprechend schwächer ausgebildeten Aussteifungselementen verhindert werden.In the structure proposed according to the invention, stiffening elements with integrated actuators are used, by means of which the prestressing or the tensile and / or compressive stress in the stiffening elements can be changed or adapted to the respective load, if necessary. 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, a higher dimensioning of the stiffening and structural elements with correspondingly higher cross sections is no longer necessary, so that overall material and weight are saved. With the integration of the at least one actuator into a stiffening element or through the series connection of actuator and stiffening element, the load transfer or the proportion of the load transfer of the stiffening element can be actively influenced. 2nd illustrates the functional principle of a structure equipped with such active or adaptive stiffening elements using the visualization of the structure in the inactive, strongly vibrating state (left part of the figure) and in the active state with damped vibration (right part of the figure). The actuators 4th of the stiffening elements 3rd are only indicated in the right part of the figure. By influencing the tension with the actuators 4th In the right part of the figure, the forces acting can be absorbed, thus preventing the supporting structure segment from roughening, even with correspondingly weaker stiffening elements.

In 3 sind die auf das Aussteifungselement wirkenden statischen und dynamischen Kräfte für ein passives (nicht geregeltes) und aktives (geregeltes) Aussteifungselement 3 über der Zeit dargestellt, welche um die statische Drucklast sinusförmig schwingen. Während die statischen Kräfte, zu denen neben dem berücksichtigten Eigengewicht des Tragwerks oder Bauwerks auch die Vorspannung des Elements zählt (in 3 zur Vereinfachung nicht dargestellt), zeitlich unveränderlich sind, führen Schwingungen des Tragwerks zu zeitlich veränderlichen dynamischen Kräften. Die Schwingungen resultieren beispielsweise aus aufkommenden Windböen. In 3 wird ab dem Zeitpunkt t = 2 Sekunden die Aktorik eingeschaltet. Das Diagramm veranschaulicht im Vergleich zum passiven, nicht geregelten System die geringeren Beanspruchungen. Die durch die Regelung der ermittelten und durch den Aktor 4 aufgebrachten Kräfte werden den vorhandenen Elementkräften aufaddiert. Wird die Aktorik bereits zum Zeitpunkt des Aufschwingens zugeschaltet, ist die Summe aus Element- und Aktorkräften dauerhaft minimiert und die Bemessung der Bauteile, d.h. der Tragwerkselemente und Aussteifungselemente, führt entsprechend zu geringeren Bauteilquerschnitten.In 3rd are the static and dynamic forces acting on the stiffening element for a passive (not regulated) and active (regulated) stiffening element 3rd plotted over time, which oscillate sinusoidally around the static pressure load. While the static forces, which include not only the weight of the structure or structure, but also the prestressing of the element (in 3rd not shown for the sake of simplicity), cannot be changed over time, vibrations of the structure lead to dynamic forces that change over time. The vibrations result, for example, from gusts of wind. In 3rd the actuator is switched on from time t = 2 seconds. The diagram illustrates compared to the passive, non-regulated system, the lower loads. The determined by the regulation and by the actuator 4th applied forces are added to the existing element forces. If the actuators are switched on at the time of swinging up, the sum of element and actuator forces is permanently minimized and the dimensioning of the components, ie the structural elements and stiffening elements, leads accordingly to smaller component cross-sections.

Das in 3 dargestellte Aussteifungselement 3 ist nicht druckschlaff angenommen und leitet daher auch Druckkräfte ab. Falls das Aussteifungselement in einer Konstruktion aus Seilen oder Ähnlichem besteht, kann die Annahme getroffen werden, dass das gegenüberliegende Aussteifungselement die doppelte Zugkraft einer aus drucksteifen Diagonalen bestehenden Konstruktion überträgt. Im rechten Teil der 3 sind die einzelnen Kräfte, d. h. von außen einwirkende Störkraft 8, Elementkräfte 9 und Aktorkräfte 10, an einem entsprechenden Tragwerkssegment mit Pfeilen dargestellt.This in 3rd stiffening element shown 3rd is not assumed to be slack and therefore also derives compressive forces. If the stiffening element in a construction consists of ropes or the like, it can be assumed that the opposite stiffening element transmits twice the tensile force of a construction consisting of compression-resistant diagonals. In the right part of the 3rd are the individual forces, ie external interference 8th , Element forces 9 and actuator forces 10th , shown on a corresponding structural segment with arrows.

Das aktive Aussteifungselement besteht in der druckschlaffen Variante aus Zugelementen, wie beispielsweise Seilen oder Flachstählen, die dem Anschluss an andere Tragwerkselemente dienen. Die Zugelemente 5 sind in dem Beispiel der 4 über zwei Anschlussplatten 6 mit der Aktorik verbunden. Beispielhafte Realisierungsprinzipien, wie Zug- oder Druckaktoren in ein Aussteifungselement integriert werden können, sind in den 4 und 5 dargestellt.The active stiffening element in the slack variant consists of tension elements, such as ropes or flat steels, which are used to connect to other structural elements. The tension elements 5 are in the example of 4th via two connection plates 6 connected to the actuators. Exemplary implementation principles, such as how tension or compression actuators can be integrated into a stiffening element, are in the 4th and 5 shown.

Der Aufbau der Aktorik kann beispielsweise in folgender Weise gestaltet werden. Zuganker 7 verbinden die Anschlussplatten 6. Mit Hilfe der Zuganker 7 lässt sich auch eine statische Vorspannung in das Aussteifungselement einbringen, indem deren Länge entsprechend angepasst wird. Der Aktor 4a, 4b ist zwischen den Anschlussplatten 6 eingebaut und erzeugt eine Kraft, die über die Anschlussplatten 6 an den Zugelementen 5 zieht. Diese Zugkraft resultiert entweder direkt aus dem eingebauten Zugaktor 4a - wie in der Ausgestaltung der 4 - oder indirekt aus einem Druckaktor, bei dem die erzeugte Kraft mit einer Hilfskonstruktion umgelenkt wird. Eine derartige Kombination aus Druckaktor 4b und mechanischer Hilfskonstruktion ist in 5 beispielhaft dargestellt. Ist die Zugkraft durch den Aktor 4a, 4b größer als die Vorspannkraft, bewegen sich die Anschlussplatten 6 aufeinander zu.The structure of the actuator system can be designed, for example, in the following way. Tie rod 7 connect the connection plates 6 . With the help of the tie rods 7 a static prestress can also be introduced into the stiffening element by adjusting its length accordingly. The actuator 4a , 4b is between the connection plates 6 built in and generates a force that over the sub-bases 6 on the tension elements 5 pulls. This tractive force results either directly from the built-in traction actuator 4a - as in the design of the 4th - Or indirectly from a pressure actuator, in which the force generated is redirected with an auxiliary construction. Such a combination of pressure actuator 4b and mechanical auxiliary construction is in 5 shown as an example. Is the pulling force through the actuator 4a , 4b larger than the preload force, the connection plates move 6 towards each other.

Eine drucksteife Variante lässt sich im Aufbau analog realisieren. Hierfür sind jedoch die Zugelemente 5 durch knicksteife Profile zu substituieren, die im Allgemeinen größere Bauteilquerschnitte erfordern.A pressure-resistant variant can be implemented in the same way. However, the tension elements are for this 5 to be replaced by kink-resistant profiles that generally require larger component cross-sections.

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

  • US 9896836 B1 [0007]US 9896836 B1 [0007]

Claims (7)

Tragwerk mit vertikalen und horizontalen Tragwerkselementen (1, 2) für ein Bauwerk, bei dem schräg verlaufende Aussteifungselemente (3) für eine horizontale Aussteifung des Tragwerks zwischen mehreren der vertikalen Tragwerkselemente (1) verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens ein Aktor (4, 4a, 4b) in eines oder mehrere der schräg verlaufenden Aussteifungselemente (3) oder zwischen einem oder mehreren der schräg verlaufenden Aussteifungselemente (3) und einem Tragwerkselement (1, 2) integriert ist, über den eine Zugspannung und/oder Druckspannung des jeweiligen Aussteifungselementes (3) verändert werden kann.Support structure with vertical and horizontal support elements (1, 2) for a building, in which oblique stiffening elements (3) for horizontal support of the support structure are braced between several of the vertical support elements (1), characterized in that at least one actuator (4 , 4a, 4b) is integrated in one or more of the inclined stiffening elements (3) or between one or more of the inclined stiffening elements (3) and a supporting element (1, 2), via which a tensile stress and / or compressive stress of the respective stiffening element (3) can be changed. Tragwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussteifungselemente (3) druckschlaff ausgebildet sind.Structure after Claim 1 , characterized in that the stiffening elements (3) are formed slack. Tragwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussteifungselemente (3) drucksteif ausgebildet sind.Structure after Claim 1 , characterized in that the stiffening elements (3) are pressure-resistant. Tragwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren an dem Tragwerk angeordnet sind, über die Bewegungen und/oder Längenänderungen am Tragwerk oder einem oder mehreren Tragwerks- und/oder Aussteifungselementen (1, 2, 3) erfasst werden können, wobei die Sensoren mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit verbunden sind, durch die die Aktoren (4, 4a, 4b) in Abhängigkeit von mit den Sensoren erfassten Bewegungen und/oder Längenänderungen angesteuert werden, um den erfassten Bewegungen und/oder Längenänderungen zumindest bei Überschreitung vorgegebener Schwellwerte entgegenzuwirken.Structure according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that a plurality of sensors are arranged on the structure, via which movements and / or changes in length on the structure or one or more structure and / or stiffening elements (1, 2, 3) can be detected, the sensors being controlled by a control and / or a control unit are connected, by means of which the actuators (4, 4a, 4b) are controlled as a function of movements and / or changes in length detected by the sensors, in order to counteract the detected movements and / or changes in length at least when predetermined threshold values are exceeded. Tragwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussteifungselemente (3) diagonal zwischen den vertikalen und/oder horizontalen Tragelementen (1, 2) verlaufen.Structure according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the stiffening elements (3) run diagonally between the vertical and / or horizontal support elements (1, 2). Aussteifungselement für ein Tragwerk nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, in das wenigstens ein Aktor (4, 4a, 4b) integriert ist, über den bei Einspannung des Aussteifungselementes (3) zwischen zwei vertikalen Tragwerkselementen (1) eine Zugspannung des Aussteifungselementes (3) verändert werden kann.Bracing element for a supporting structure according to one or more of the preceding claims, in which at least one actuator (4, 4a, 4b) is integrated, via which, when the bracing element (3) is clamped in between two vertical supporting elements (1), tensile stress of the bracing element (3) can be changed. Aussteifungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussteifungselement (3) zwei Zugelemente (5) aufweist, die an zwei Anschlusselementen, insbesondere Anschlussplatten (6), befestigt sind, zwischen denen der Aktor (4, 4a, 4b) wirkt.Stiffening element after Claim 6 , characterized in that the stiffening element (3) has two tension elements (5) which are attached to two connection elements, in particular connection plates (6), between which the actuator (4, 4a, 4b) acts.
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