Fail-Safe-Prinzipien für ausgewählte Komponenten adaptiver Tragwerke

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Abstract

2 Technischer Stand
2.1 Sicherheitstechnik im Gebäudebau
2.2 Technische Definitionen
2.2.1 Fail-Safe Prinzipien
2.3 Adaptives System
2.3.1 Aufbau des Systems
2.3.2 Beispielsystem: Stuttgart Smart Shell
2.4 Fehlermöglichkeits- und einflussanalyse
2.5 Morphologischer Kasten

3 Systemanalyse
3.1 Ergebnisse der FMEA
3.1.1 Ergebnisse der FMEA
3.2 Ergebnisse des Morphologischen Kastens

4 Fail-Safe Ansätze und Lösungen
4.1 Hydraulikzylinder mit Stützen
4.2 Selbsthemmung - Kolbengewinde
4.3 Das Sensor Daten-Diskrepanz Problem
4.4 Druckverlust durch Leitungsbruch
4.5 Mechanische Zwangsführung
4.6 Redundanz-Prinzip in Verbindung mit dem Fail-Safe Prinzip
4.7 Selbsthilfe-Effekt
4.8 Notlaufeigenschaften
4.9 Stabile Endlagen
4.10 Ruhestromprinzip
4.11 Personenüberwachung
4.12 Prozessüberwachung

5 Zusammenfassung

6 Danksagung

1 Einleitung

Das Bauen von Gebäuden und Unterkünften begleitet die Menschheit bereits seit geraumer Zeit. Mit dem voranschreitenden wissenschaftlichen Verständnis hat sich auch die Komplexität unserer Gebäude und Strukturen erhöht.

Seit jeher ist der technische Fortschritt ein wichtiger Faktor für eine stabile Gesellschaft. Aktuelle Prognosen machen jedoch darauf aufmerksam, dass sich ein entscheidender Punkt in der technischen Gestaltung von Gebäuden ändern muss, um den Anforderungen der Zukunft gerecht werden zu können.

Die zur Zeit gängige Methodik beim Gestalten von Bauwerken erfordert beträchtliche Mengen an Ressourcen und Energie. Die stetig wachsende Bevölkerung bedeutet einen immer größer werdenden Bedarf an weiteren Gebäuden. Hier entsteht ein bedeutsamer Konflikt insofern, dass immer mehr Gebäude benötigt werden, die ein beträchtliches Maß an Ressourcen verlangen, während immer weniger Ressourcen zur Verfügung stehen. Die- ses Problem gilt es zu lösen, und genau das wird mit dem DFG Sonderforschungsbereich 1244 Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen [36] angegan- gen.

Bild 1.1: Wandel des Gebäudebaus über die Zeit. Links ein Beispiel für Fachwerkhäuser aus dem 15. Jahrhundert [34]. Rechts ein modernes Gebäude aus dem 21. Jahr- hundert [35]

Bei dieser Forschung setzt man an den ganz einfachen Gedanken an, die erforderlichen Ressourcen für den Bau eines Gebäudes zu reduzieren. Allerdings lassen sich Elemente nicht ohne weiteres aus einem System entfernen, ohne dessen Funktionalität zu beeinflus- sen oder unter Umständen zu beeinträchtigen. Daher müssen die vorhandenen Elemente nicht entfernt, sondern sinnvoll ersetzt werden. Die Elemente, die den Hauptanteil des Gewichtes am Gebäude ausmachen sind gerade auch die Elemente, die für die Stabilität von Gebäuden sorgen. Ein gängiger Werkstoff im Gebäudebau Beton. Dieser Festigkeit des Werkstoffes wird im traditionellen Gebäudebau in der Regel allerdings nicht effektiv ausgenutzt. Es wird derart viel Beton aufgewendet, sodass die erwartete Belastung mit sehr großer Sicherheit nicht an die Grenzen des Werkstoffs geraten kann. Dies führt zu wirtschaftlichen, ökonomischen und ökologischen Problemen.

Bei der angestrebten Lösung werden adaptive Elemente integriert, deren Zweck die Spannungsentlastung des Tragwerks ist. Unter einem adaptiven System versteht man eine Einheit, die sich in Abhängigkeit ihrer Umgebung und der damit verbundenen Umstände anpassen kann, um stets möglichst effizient arbeiten zu können. Im Nachfolgenden wird unter einem adaptiven System ein Aufbau aus den drei folgenden Baugruppen verstanden: Eine Sensorik, eine Regelung und eine Aktorik.

Das Funktionsprinzip des adaptiven Systems wird vereinfacht wie folgt angenommen. Zunächst erfasst eine geeignete Sensorik die auf das Gebäude wirkenden Belastungen und leitet diese Daten an eine Steuereinheit weiter. Diese Einheit berechnet auf Ba- sis der von der Sensorik gemessenen Daten eine Korrektur der Aktoren. Die Aktoren richten dann das Tragwerk in eine günstigere Stellung aus, sodass die Kräfte und alle daraus resultierenden Spannungen gleichmäßiger verteilt werden können. Auf diese Wei- se können Spannungsspitzen geglättet werden, was zur Folge hat, dass die am Tragwerk auftretenden Belastungen reduziert werden, während die Belastungen aus der Umge- bung unverändert bleiben.

Somit kann ein adaptives System genutzt werden um die Belastungsverhältnisse an Strukturen und Gebäuden günstiger zu gestalten. Durch eine effizientere Lastvertei- lung ist es dadurch möglich, die genutzten Ressourcen zu reduzieren, ohne die Sicherheit des Gesamtsystems zu senken, da die Belastungen im Tragwerk im gleichen Maße sin- ken wie die aufgewendeten Ressourcen. Die Sicherheit zu gewährleisten ist der zentrale Aspekt dieser Arbeit. Genauer wird die Sicherheit im Schadensfall bzw. bei Versagen des Systems betrachtet. Um ein vorher festgelegtes Sicherheitsniveau auch im Schadens- fall nicht zu unterschreiten, werden hier verschiedenste Fail-Safe Methoden untersucht und ausgearbeitet. Fail-Safe Methoden sind Mechanismen und Lösungen, welche auf ein Versagen des gesamten Systems oder nur eines Teils davon ausgelegt sind. Bei Ein- treten des Schadens sollen die Fail-Safe Methoden unzulässige Sicherheitsgefährdungen beschränken und ausschließen. Die Notwendigkeit einer solchen Sicherheitsanalyse er- gibt sich durch den Wandel von physikalischen Eigenschaften als Grundlage für die Standsicherheit eines Gebäudes, wie beispielsweise die Festigkeit von Beton, hinzu den adaptiven Eigenschaften des neuen Systems, welches anders als Beton über eine größere Menge an möglichen Fehlerzuständen verfügt. Diese Fehlerzustände sollen durch diese Arbeit möglichst großflächig aufgedeckt werden und ggfs. durch entsprechende Lösungen mittels Fail-Safe Design unterbunden werden. Zur zielgerichteten Gestaltung und Kon- struktion solcher Methoden wird daher im Folgenden eine Analyse aller hierfür wichtigen Aspekte des Systems durchgeführt, wie in Abschnitt 3 näher beschrieben ist.

1.1 Abstract

Over the course of all human history, buildings of any kind were designed as static and intrinsically complete.

As far as the building physics were concerned, the buildings themselves would have to be designed in such a way, so that they could withstand every conceivable load or stress applied to the building.

Aside from their own weight, there are many other outside-world factors and events, that are demanding a high amount of stability and sturdiness. For a building to withstand such unpredictable forces in a reliable manner, it has to be designed far stronger than just to support its own structures.

The classical means of engineering, considering structures, are limited as to how forces can be drawn off to the ground. Since supporting structures are meant to be widely static, the most common way to reach the desired strength and stability is to either choose stronger materials or to increase the thickness of used materials. Regarding financial and economic aspects, these methods are too generous in their use of ressources and therefore also of costs. When paying attention to the continual growth of the human population and the circumstance, that approximately 25% of the currently living people will want their own homes to live in over the course of the next 15 years, it’s obvious that the current way of engineering and constructing houses and buildings will not be sufficient. Our resources are limited and can’t keep up with the rising demand, resulting from the current technology.

The goal of this research is to overcome the limitations of the static designs, by im- plementing adaptive elements. These elements should reduce the amount of forces, the structure needs to withstand with its inherent stability. Buildings will be able to ad- apt and react to various loadings, so the stress can be drawn off better, allowing the engineers to slim down on the use of materials. This thesis will research the possible fail-safe principles for the adaptive elements, so that the safety for interacting humans will be secured at all times in an event of a failure of said elements. The necessity for a safety-analysis is given by the shift from physical aspects as the foundation for the structural safety being the material strength of concrete to the adaptive and calculating abilities of the new system. Material strength is in no need for external reinforcements unlike adaptive systems, which do bear a wide variety of possible failure modes. In an endeavour to find all substantial weak points or critical aspects and furthermore deve- loping solutions, the following safety-analysis as shown in chapter 3 has been carried out.

2 Technischer Stand

In diesem Abschnitt werden die wissenschaftlichen Grundlagen, sowie der derzeitige technische Stand mit Bezug auf die Fail-Safe Methodik vorgestellt. Die Ausführungen im Folgenden dienen als Ausgangsposition für die Gestaltung der Fail-Safe Prinzipien.

2.1 Sicherheitstechnik im Gebäudebau

Die Sicherheit ist im Gebäudebau von großer Bedeutung. Unter Sicherheit wird im Gebäudebau vorrangig eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit für die Abwesenheit von Gefahren verstanden[2]. Besonders wichtig für die Sicherheit ist die Gesundheit der Menschen aber auch der Umwelt. Die Abwesenheit von Gefahren kann nicht garantiert werden, daher wird eine sehr große Wahrscheinlichkeit für das Nichtvorhandensein besagter Gefahren gefordert. Der Begriff der Sicherheit steht der Zuverlässigkeit gegenüber. Unter Zuverlässigkeit wird die Eigenschaft eines Gebäudes in einem gegebenen Zeitraum unter vereinbarten Bedingungen seine Funktion zu erfüllen verstanden. Beide Aspekte können jedoch durch gemeinsame Maßnahmen gewährleistet werden. Im Gebäudebau werden hierfür fünf grundlegende Maßnahmen betrachtet.

- Tragwerksentwurf
- Überprüfung des Entwurfs
- Qualitätskontrollen (z.B. Baustoffe, Bauteile, Bauausführung) Instandhaltung und Wartung
- Schutzmaßnahmen gegen mögliche Gefährdungen

Zu erkennen ist, dass sich keine Maßnahme mit einem Versagen beschäftigt. Das liegt daran, dass im Gebäudebau vorrangig das Prinzip des sicheren Bestehens angewandt wird.

Prinzip des sicheren Bestehens im Gebäudebau

Die Sicherheitstechnik, als wichtiges Teilgebiet im Gebäudebau, hatte bislang immer das Ziel, jegliches Versagen von Gebäuden zu verhindern. Beim Konstruieren wird daher stark auf das sogenannte Prinzip des sicheren Bestehens genutzt, auch Safe-Life Prinzip genannt.

Wesentlicher Aspekt des Safe-Life Prinzips ist das Ziel, die Bauteile so auszulegen, dass ein zufälliges Versagen der Bauteile möglichst ausgeschlossen ist. Hierbei werden alle zu erwartenden Belastungen berücksichtigt und mit einer angemessenen Sicherheit in der Auslegung berücksichtigt. Bauteile, die nach dem Safe-Life Prinzip konstruiert wur- den, werden daher mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit die geplante bzw. erwartete Lebensdauer überstehen. Dies gilt auch nur für einen normalen Gebrauch ohne außer- gewöhnliche Einflüsse und Umstände. Bleiben die Umstände, insbesondere die äußeren Einflüsse und Belastungen, innerhalb des zuvor berücksichtigten Rahmens, greift das Safe-Life Prinzip.

Das Eigengewicht selbst ist dabei die mit Abstand größte Belastung für das Gebäude. Neben dem Eigengewicht sind äußere Einwirkungen durch Wind und Schnee, oder auch das zusätzliche Gewicht durch Mensch und Maschine zu berücksichtigen [1]. All diese Aspekte werden unter dem Safe-Life Prinzip in die Auslegung miteinbezogen, sodass ein Versagen gar nicht erst auftreten soll. Wird diese Grenze überschritten und ein Bauteil versagt, dann muss ein anderer Sicherheitsmechanismus bzw. ein anderes Sicherheitsprin- zip angewendet werden. Für diese besonderen Fälle wird das Prinzip des beschränkten Versagens verwendet.

Fail-Safe Prinzip des beschränkten Versagens

Das Prinzip des beschränkten Versagens (bzw. Fail-Safe Prinzip) ist ein bislang we- nig erforschter Ansatz in der Sicherheitstechnik des Gebäudebaus. Die Grundidee des Fail-Safe Prinzips entsteht aus dem möglichen Versagen eines Bauteils. Hierbei werden konstruktive Maßnahmen ergriffen, welche die Sicherheit für Mensch und Umwelt im Falle eines Versagens gewährleisten. Im Idealfall wird bei erfolgreicher Umsetzung des Fail-Safe Prinzips die Sicherheit im Versagensfall überhaupt nicht beeinträchtigt.

In der Praxis wird aber häufig versucht ein definiertes Sicherheitsniveau nicht zu unterschreiten, da in der Regel Schäden an Bauteilen und deren Versagen immer zu einer gewissen Beeinträchtigung der Funktion und auch Sicherheit führen (unter Vernachlässigung von Überdimensionierungen)[23].

Hierbei ist es wichtig, zwischen der Sicherheit und Zuverlässigkeit zu unterscheiden. Die Zuverlässigkeit beschreibt die Eigenschaft eines Bauteils, unter gegebenen Bedin- gungen vereinbarte Funktionen zu erfüllen. Die Sicherheit eines Bauteils hat zunächst nichts mit der Zuverlässigkeit zu tun, sodass ein Bauteil zuverlässig aber nicht sicher sein kann. Der reziproke Fall ist ebenfalls möglich. Beispielsweise kann ein Messer mit stumpfer Klinge betrachtet werden. Die Zuverlässigkeit sinkt durch eine stumpfe Klinge während die Sicherheit dadurch steigt. Das Fail-Safe Prinzip versucht in erster Linie nur die Sicherheit zu gewährleisten, auch auf Kosten der Funktionstüchtigkeit des Bauteils selbst.

Beispielhaft für den Unterschied ist das NotStopp System des Herstellers SawStopp. Das Gerät setzt die Klinge unter Spannung und misst während der Nutzung durch- gehend die Spannung am Sägeblatt. Falls ein Arbeiter versehentlich Kontakt zwischen
seiner Haut und dem Sägeblatt herstellt, wird ein Teilstrom abgezweigt, was zu einer Spannungsänderung führt.

Bild 2.1: Notstopp Mechanismus einer Kreissäge des HerstellersSawStopp[24]

Diese Spannungsänderung wird registriert und eine stark vorgespannte Feder wird gelöst. Diese Feder drückt einen Bremsklotz in die rotierende Klinge, welche in Folge ihrer Trägheit und hohen Drehzahl schlagartig nach unten gezogen wird. Nach so einem Si- cherheitsprozess ist mit Schäden am Federmechanismus sowie dem Sägeblatt zu rechnen, was die Zuverlässigkeit der Kreissäge maßgeblich beeinträchtigt. Bei diesem NotStopp- System wird also gezielt die Sicherheit des Benutzers in den Vordergrund gestellt, und nachhaltige Schäden der Maschine werden dabei in Kauf genommen [24]

Bei vielen Maschinen ist die Unterscheidung zwischen Zuverlässigkeit und Sicherheit relativ eindeutig. Bei Gebäuden ist aber die Funktionstüchtigkeit sehr eng mit der Si- cherheit verknüpft. Ein wie auch immer gearteter Ausfall der Funktion eines Gebäudes bedeutet in aller Regel auch immer ein erhebliches Sicherheitsrisiko. Anders als bei Ma- schinen darf bei einem Gebäude z.B. das Tragwerk unter keinen Umständen versagen, da ansonsten die Sicherheit von Menschen in und um das Gebäude unmittelbar gefährdet wird. Somit ist es eine Herausforderung das Fail-Safe Prinzip erfolgreich zu implemen- tieren, da die zulässigen Sicherheitseinbußen, die im Realfall immer eintreten, gegen null gehen müssen.

2.2 Technische Definitionen

In diesem Abschnitt werden technisch wichtige Aspekte beleuchtet, die als Grundlage für die Gestaltung von Fail-Safe Designs dienen. Im Folgenden wird eine Auswahl an Prinzipien und Konzepten aus der Literatur vorgestellt.

Sicherheit

Die Sicherheit ist ein wichtiger Begriff und muss daher möglichst präzise definiert werden. In der DIN ISO 31000, welche eine Norm für Risiko Management ist, wird die Sicherheit wie folgt definiert:

Eine Sachlage, bei der das Risiko kleiner als das Grenzrisiko ist (DIN ISO 31000, 2011).Diese Definition führt den BegriffRisikoein, unter dem Folgendes verstanden wird:Das größte noch vertretbare anlagenspezifische Risiko eines bestimmten technischen Vorgangs oder Zustands (DIN ISO 31000, 2011).[5]

Das Risiko bildet sich damit aus der Eintrittswahrscheinlichkeit sowie der Schwere von Gefährdungen. Zunächst beschreibt Gefahr das Potential für die Schädigung der Gesundheit von Menschen bzw. der Umwelt.[26]

Weiter wird noch der Begriff der Gefährdung unterschieden, welcher die Verbindung von Menschen und Gefahren beschreibt. Sobald eine Gefahr in unmittelbarer Umgebung zum Menschen ihre Wirkung entfalten kann, wird von einer Gefährdung gesprochen. In diesem Zusammenhang kann eine präzise Definition vom Begriff Sicherheit festgehalten werden.

Die Sicherheit ist eine Prognose über die Schwere und Eintrittswahrscheinlichkeit von Gefahren in Verbindung mit dem unmittelbaren Potential sich auf Mensch und Umwelt auszuwirken.

Ein sicherer Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit das Potential von Gefahren nicht auf Menschen ausgewirkt wird [1]. Mithilfe dieser Defini- tionen lassen sich somit unsichere Zustände besser erkennen und bewerten. Sie können auch genutzt werden, um mit Fail-Safe Prinzipien sicherere Zustände zu finden und einzunehmen.

2.2.1 Fail-Safe Prinzipien

Fail-Safe Prinzipien sind abstrakte Konzepte, die beschreiben, wie ein System im Versagensfall die Sicherheit des Systems erhalten kann. Im Idealfall nimmt die Sicherheit eines Systems überhaupt nicht ab. Da das oft nicht möglich ist, wird bei Fail-Safe Prinzipien darauf abgezielt, einen Sicherheitsgrenzwert sicherzustellen, welcher nicht unterschritten werden darf. Nur bekannte, bzw. vorhersehbare Fehler können präventiv durch FailSafe Prinzipien abgesichert werden.[23]Das bedeutet, dass ein System gründlich analysiert werden muss, um möglichst viele potentielle Fehler zu erkennen, sodass präventive Maßnahmen in Form von Fail-Safe Prinzipien umgesetzt werden können. Im Folgenden werden grundlegende Konzepte des Fail-Safe Designs vorgestellt.

Passive und aktive Methoden

Fail-Safe Methoden können, abhängig von ihrer Funktionsweise, entweder in passive oder aktive Methoden unterteilt werden.

Passive Methoden

Eine Methode wird dann als passiv verstanden, wenn sie zur Erbringung ihrer Funktion, bzw. Wirkung, keinen zusätzlichen Aufwand benötigt. Somit ist die Zufuhr von zusätzlicher Energie und auch von Signalen unnötig.

Das macht passive Methoden zunächst zuverlässiger, da sie eine geringere Menge an Teil- systemen zur Erfüllung ihrer Funktion benötigen, was zu einer geringeren Komplexität führt. Allerdings ist die Gestaltung von passiven Methoden dahingehend eingeschränkt, dass in der Regel nur physisch intrinsische Eigenschaften eines Systems genutzt werden können.

Aktive Methoden

Aktive Methoden stellen dagegen Systeme dar, die erst zugeschaltet werden müssen, und gegebenenfalls zusätzliche Energie von einer Quelle außerhalb des betrachteten Systems beziehen müssen. Damit eine solche Methode sinnvoll eingesetzt werden kann, wird eine geeignete Steuerung bzw. Regelung benötigt, welche rechtzeitig die Signale an das System sendet. Darüber hinaus muss auch die Energiezufuhr zu allen Zeiten gewährleistet werden, da aktive Methoden ansonsten nur mangelhaft oder gar nicht funktionieren. Aufgrund dieser zusätzlichen Bedingungen sind aktive Methoden üblicherweise auch fehleranfälliger. Allerdings bieten solche Methoden einen ausgiebigeren Freiraum beim Gestalten, da eine viel größere Auswahl an Wirkprinzipien zur Verfügung steht, mit der gezielte Versagensformen unterbunden werden können.

In Tabelle 2.1 werden die wichtigsten Eigenschaften von aktiven und passiven Methoden zusammengefasst und gegenübergestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1: Kompakte Gegenüberstellung der wichtigsten Eigenschaften von aktiven und passiven Methoden im Fail-Safe Design

Einführung in Fail-Safe Prinzipien und ihre möglichen Anwendungen

Um die grundsätzliche Idee hinter dem Fail-Safe Design zu verdeutlichen, werden hier einige grundlegende Konzepte vorgestellt, die im folgenden aufgegriffen und in ihrer Anwendung auf adaptive Gebäude angepasst werden.

Notlaufeigenschaften

Unter Notlaufeigenschaften wir die Fähigkeit eines Systems verstanden, auf einen Fehler mit einem lediglich verminderten Wirkungsgrad zu reagieren. Das bedeutet, dass das System trotz Eintreten des Fehlers unter schlechteren, aber immer noch geeigneten Bedingungen, weiterarbeiten kann.[1]

Bild 2.2: Notlaufeigenschaften eines Reifens bei einem Druckverlust[1]

Im Abbildung 2.2 wird eine mögliche Umsetzung des Notlauf-Prinzips anschaulich dar- gestellt. Die innere Oberfläche des Reifens, insbesondere der Abschnitt an der Felge, wird möglichst glatt gestaltet, damit die Felge auf dem Boden des Reifens schadenfrei abrollen kann.

Die grundlegende Idee der Notlaufeigenschaft kann für das adaptive System besonders sinnvoll im Bereich der Übergänge zwischen Zuständen genutzt werden. Idealerweise wird dadurch ein erfolgreiches Einnehmen des erwünschten Zielzustandes trotz Versagen eines Teilsystems ermöglicht, auch wenn sich die Übergangszeit gegebenenfalls erhöhen würde.

Um dieses Prinzip effektiv anwenden zu können, ist daher eine genaue Kenntnis der Aktorik notwendig. Insbesondere müssen jene Fehlerquellen gefunden werden, die vorwiegend in den Bewegungsphasen entstehen können.

Stabile Endlagen

Das Prinzip der stabilen Endlagen beschreibt die Eigenschaft eines Systems, nach Ein- treten eines Versagens in einen Zustand überzugehen, welcher kein weiteres Absinken der Funktionalität und Sicherheit des Systems zulässt. Eine stabile Endlage wird das System nicht ohne außergewöhnliche Einflüsse verlassen können. Damit ist gewährleistet, dass ein System nicht instabil wird, und sich Fehler nicht weiter fortpflanzen können. [1]

Bild 2.3: Radbruchstützen an Laufrädern[1]

Ein gutes Beispiel sind die in 2.3 gezeigten Radbruchstützen (1) von Laufrädern. Solche Radbruchstützen werden bei Kränen oder Laufkatzen verwendet, um die maximale Falltiefe der Maschine im Falle von aufbrechenden Rädern zu begrenzen.

Stabile Endlagen können abstrakt als diskrete Zustände im System beschrieben werden. Im Bezug auf das adaptive System lassen sich zwei wesentliche Zustände unterscheiden. Einmal die statischen Zustände, in denen sich das System in Ruhe befindet. Diese Zustände liegen dann vor, wenn es von Seiten der Regelung keine Signale an den Antrieb für eine Korrektur gibt. Neben den statischen Zuständen gibt es auch die Übergänge, die vielmehr einen Prozess als einen Zustand darstellen.

Mit dem Prinzip der stabilen Endlagen lassen sich die beiden möglichen Zustände des Systems getrennt untersuchen. An den statischen Zuständen lässt sich dieses Prinzip leichter implementieren als an den Übergängen, da eine bestehende Ruhelage gesichert werden muss. Bei Übergängen ist keine Ruhelage vorhanden und muss daher vom FailSafe Design geschaffen werden. Zur genauen Untersuchung ist hier die Beschaffenheit und die Bauart des Hydraulikzylinders von großer Bedeutung.

Selbsthilfe

Beim Selbsthilfe-Effekt geht es darum, diejenigen Kräfte und Wirkungen auszunutzen, die stets vorhanden sind und mit einer eindeutigen Richtung wirken, wie beispielsweise die Reibung zwischen Körpern, die Schwerkraft oder innere Spannungen.[1]

Bild 2.4: Selbsthilfe-Effekt an einer verkeilten Rohrverbindung[1]

Unter Ausnutzung des Selbsthilfe-Effekts wird eine stabile Verbindung von zwei Roh- ren gewährleistet. Der Effekt wird durch Keilen erzeugt, welche über Schrauben fixiert werden. Die Schrauben selbst erleiden keinerlei Belastung. Ihr Zweck ist die Positionie- rung der Keile, welche dann die Spannarbeit übernehmen. Die Keile verursachen eine große Spannung in Folge ihrer Geometrie und ihre Position wird durch die Schrauben gewährleistet. Die Rohre können aufgrund des engen Aufbaus keine axialen Bewegungen durchführen, da die Keile im Weg stehen. Werden die Keile weiter in die Kuhlen gepresst, können die resultierenden Spannungen genutzt werden, um zusammen mit geeigneten Dichtungen die notwendige Pressung für die Dichtungen zu erzeugen, sodass die Rohre leckagefrei abgedichtet werden können.

Der Vorteil dieses Fail-Safe Designs ist die Ausnutzung von vorhandenen Kräften. Die Schwerkraft wirkt immer in eine eindeutige Richtung und mit einer festen Kraft bezogen auf die Masse ausgewählter Bauteile.

Sicherheitsmechanismen auf Basis der Schwerkraft im System, sind selbst-aktivierend. Das macht den Selbsthilfe Effekt besonders zuverlässig. Das ist eine relevante Eigenschaft für das untersuchte adaptive System. Konkretere Anwendungsmöglichkeiten werden im Abschnitt 4.7 behandelt.

2.3 Adaptives System

Ziel dieser Forschung ist ein adaptives System, welches die Einflüsse der Umgebung präzise erfassen kann, um mittels einer geeigneten Regelung eine adäquate mechanische Antwort zu generieren. In diesem Fall sollen Belastungen auf ein Gebäude erfasst werden, welche zu einer Anpassung der Ausrichtung der Gebäudestruktur führen. Belastungen können durch eine individuelle Ausrichtung besser vom Tragwerk aufgenommen und in den Boden abgeleitet werden. Durch günstigere Spannungsverteilungen können insbeson- dere Spannungsspitzen reduziert und geglättet werden. Wenn dieses System zuverlässig die Spitzenwerte reduzieren kann, dürfen Optimierungen am Werkstoff und an der Di- mensionierung vorgenommen werden. Schwerpunkt dieser Optimierungen ist die effizi- entere Ausnutzung von Ressourcen; somit wird die Menge an Werkstoffen maßgeblich reduziert, wodurch eine sparsamere Bauweise in Bezug auf Ressourcen und finanziellen Mitteln realisiert werden soll.

2.3.1 Aufbau des Systems

Das adaptive System wird zur Realisierung in drei Baugruppen unterteilt. Die Sensorik Die Regelung Die Aktorik

Bild 2.5: Aufbau des zu untersuchenden adaptiven Systems

In Bild 2.5 ist ein skizzenhafter Aufbau des adaptiven Systems dargestellt. Aus der Um- gebung werden von der Sensorik Signale aufgenommen und an die Regelung übertragen.

Die Regelung ermittelt auf Basis der Messwerte entsprechende Stellsignale für die Aktorik. Die Aktorik besteht aus drei Teilsysteme. Der Motor wandelt zur Verfügung gestellte elektrische Energie in kinetische Energie um. Diese Energie wird von der Pumpe genutzt um ein bereitgestelltes Fluid (Wasser oder Öle) unter Druck in die Kammer eine Hydraulikzylinders zu pumpen. Der entstehende Druck bewegt die Kolbenstange des Hydraulikzylinders, die mit dem Tragwerk verbunden wird.

Im Folgenden werden die drei Hauptuntergruppen gesondert untersucht.

Die Sensorik

Die Baugruppe der Sensorik ist verantwortlich für die kontinuierliche Erfassung der Belastungen. Ziel ist das präzise Messen des Ist-Zustandes des Gebäudes. Dazu gehören alle relevanten Kräfte und Belastungen, die auf das Gebäude wirken, sowie die Spannungen im Tragwerk. Um eine zuverlässige Datenerfassung zu gewährleisten, werden verschiedene Methoden zur Messung genutzt. Unter anderem können optische Messverfahren genutzt werden, welche die belastungsinduzierte Verschiebung des Gebäudes erfassen. Dafür können geeignete Kameras genutzt werden.

Weitere Möglichkeiten zur Messung von Belastungen sind Dehnungsmessstreifen (kurz DMS).

Bild 2.6: Aufbaue eines Dehnungsmessstreifen[27]

Ein DMS wird an einer Oberfläche angebracht. Wenn sich die Oberfläche streckt, dann streckt sich der DMS in gleichem Maße. Diese Streckung führt zu einer ÄnderungdesWi- derstandswertes der dünnen Leiterbahnen. Diese Widerstandsänderung führt respektiv zu einer Änderung des Stroms, welche gemessen werden kann. Stromänderungen können durch mathematische Modelle durch bekannte Werkstoffkennwerte auf die ursprüngliche Belastung zurückgeführt werden.

Messungen können auch in der Aktorik stattfinden. Die Hydraulikzylinder, welche das Gebäude ausrichten sollen, stehen unter hohem Druck. Dieser Druck kann gemessen werden, und damit mögliche Druckschwankungen. Die Daten können einer entsprechenden Belastung zugeordnet werden.

Von der Sensorik erfasste Daten werden anschließend an die Regelung übertragen.

Die Regelung

Aufgabe der Regelung ist die Verarbeitung von Daten der Sensorik. Ziel ist es, Daten in geeignete Signale für die Aktorik umzuwandeln. Die Regelung versucht dabei einen defi- nierten Soll-Zustand aufrechtzuerhalten oder Differenzen zwischen Soll- und Ist-Zustand zu reduzieren.

Mögliche Anforderungen an eine Regelung können sein: Möglichst verlustfreie Aufnahme der Daten Resistenz gegenüber Störungen

Regelgeschwindigkeit

Geringes Überschwingen

Die Verlustfreiheit der Daten hängt von der Methode der Datenübertragung ab. Eine Funkübertragung ist gegenüber einer physischen Kupferleitung beispielsweise anfälliger für Datenverluste. Die Resistenz gegenüber Störungen hängt von der Intensität und Natur der möglichen Störungen ab. Eine Regelung kann dabei die Empfänglichkeit für störende Signale reduzieren oder die Auswirkungen gering halten. Die Regelgeschwindigkeit hängt von vielen Faktoren des gesamten Systems ab. Während grundsätzlich so schnell wie möglich der Soll-Zustand erreicht werden soll, müssen die Randbedingungen des Systems berücksichtigt werden. Insbesondere spielt die Trägheit des Gebäudes eine große Rolle dergestalt, dass selbst bei größeren möglichen Regelgeschwindigkeiten ein bestimmtes Niveau nicht überschritten werden darf[28].

Regelungstechnik

Die Regeleinheit wird eine wesentliche Baugruppe im System der adaptiven Trägerstruktur darstellen. Im Folgenden werden die Grundlagen zur Regelungstechnik erläutert.

Bild 2.7: Signalflussdiagramm einer Steuerung[20]

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Eine Steuerung, wie in Bild 2.7 als Signalflussdiagramm dargestellt, nimmt ein Eingangs- signal auf und verarbeitet es nach festen Regeln. Dies führt zu eindeutigen Ausgangs- größen. [21]

Wichtig bei Steuerungen ist, dass es keine Rückkopplung gibt und eine Steuerung auch kein Feedback vom erreichten Zustand erhält. Im Gegensatz dazu gibt es die Regelung.

Bild 2.8: Signalflussdiagramm einer Regelung[20]

In der Abbildung 2.8 wird der entscheidende Unterschied zwischen Regelung und Steuerung deutlich gemacht. Das Ausgangssignaly(t) wird hier zurückgeführt und von der Führungsgrößew(t) subtrahiert. Das hat den Zweck, dass so eine Regeldifferenz gebildet werden kann, welche essenziell für den Regelfehler steht. Dieser Fehler wird von der Regelung fließend reduziert und möglichst gering gehalten.

Das bedeutet, dass mit einer Regelung immer auch eine Überwachung des Prozesses durchgeführt wird. Dies ist nützlich, wenn ein dynamisches System betrachtet wird. Da das adaptive Tragwerksystem per Definition ein sehr dynamisches System ist, wird daher eine Regelung verwendet um die Ausrichtung zu berechnen und zu überwachen.

Eine Regeleinheit kann, bezogen auf ein Gebäude, auf unterschiedliche strukturelle Arten realisiert werden. Im Wesentlichen gibt es dafür zwei Möglichkeiten:

Zentrales System:

Bei einem zentralen System, wie in Bild 2.9 dargestellt, existiert eine Recheneinheit, die eine Ansteuerung aller Antriebseinheiten übernimmt. Zentrale Systeme haben den Vorteil kostengünstiger zu sein. Allerdings liegt bei dieser Variante ein hoher Verkabelungsaufwand vor, und auch die Fehleranfälligkeit ist groß, da das Versagen der zentralen Recheneinheit ein Versagen des gesamten Systems bedeuten würde[31].

Bild 2.9: Zentraler Aufbau einer Steuerungseinheit[31]

Dezentrales System:

Bei einem dezentralen System, wie in Bild 2.10 dargestellt, gibt es nicht nur eine Rechen- einheit sondern mehrere, die sich dann gegebenenfalls auch direkt in der unmittelbaren Umgebung der arbeitenden Antriebselemente befinden. Zwar erhöhen sich bei dieser Va- riante die Kosten, aber die höhere Modularität bedeutet eine größere Flexibilität und Sicherheit des Systems.

Eine Alternative zu diesem System ist eine dezentrales E/A Struktur. E/A steht hier für Eingabe/Ausgabe und bedeutet, dass nur die Elemente der Regelung, welche Signale aufnehmen und abgeben dezentralisiert werden.[31]

Bild 2.10: Dezentraler Aufbau einer Steuerungseinheit

Bei dieser Forschung wird eine Kombination aus beiden Strukturen verwendet. Dabei werden einzelne Stockwerke mit zentrale Strukturen ausgelegt. Wird das Gebäude als Ganzes betrachtet, liegt aber ein dezentrales System vor. Somit hängt die Struktur vom zu untersuchenden System bzw. Teilsystem ab.

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