Bauteile werden heutzutage im Wesentlichen nach dem Safe-Life-Prinzip, also dem versagensfreien Überstehen der Lebensdauer ausgelegt. Ein weiteres Prinzip ist das Fail-Safe-Prinzip, bei dem ein Versagen zulässig ist, ein festgelegtes Sicherheitsniveau jedoch nicht unterschritten wird. Für adaptive Gebäude, die nicht alle Lastsituationen eigenstabil ertragen, dürfen Ausfälle der Aktoren, welche das Tragwerk adaptieren, nicht zu einem Versagen der Gesamtstruktur führen, da das Gebäude sonst einsturzgefährdet ist.
Insbesondere unkalkulierbare Zufallsausfälle werden hier mittels des Fail-Safe-Prinzips abgesichert. Nach Einarbeitung in die Fail-Safe-Methodik und Funktionsweise adaptiver Tragwerke sollen in dieser Arbeit Fail-Safe-Methoden recherchiert und ausgearbeitet und deren Umsetzung an einem einfachen Tragwerk bewertet werden. Ziel ist die Standsicherheit des Gebäudes, die durch einen Ausfall beeinträchtigt wird, durch Fail-Safe-Elemente zu erhöhen.
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 Stutzen
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
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Erhöhung der Standsicherheit adaptiver Tragwerke durch die Integration von Fail-Safe-Elementen, um bei Ausfällen von Aktoren das Versagen der Gesamtstruktur zu verhindern und so die Sicherheit von Mensch und Umwelt zu gewährleisten.
- Grundlagen der Fail-Safe-Methodik und Sicherheitstechnik im Gebäudebau
- Aufbau und Funktionsweise adaptiver Tragwerke (Sensorik, Regelung, Aktorik)
- Analyse kritischer Fehlerquellen mittels Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA)
- Systemkonkretisierung durch morphologische Kästen
- Entwicklung und Bewertung spezifischer Fail-Safe-Konzepte und Konstruktionslösungen
Auszug aus dem Buch
4.1 Hydraulikzylinder mit Stutzen
Bei der Stutzenvariante handelt es sich um eine Lösung, die ein plötzliches Absenken des Kolbens verhindern soll. Dazu wird ein einfachwirkender Hydraulikzylinder als Ausgangszustand gewählt. In Bild 4.1 ist der Aufbau schematisch dargestellt.
Neben der Kolbenstange und der Kolbenfläche werden bei dieser Variante zusätzlich Stützstangen radial um die Kolbenstange angeordnet. Diese Stützstangen sind wie in der Skizze dargestellt mit einem Außengewinde versehen, um sie unabhängig von der Kolbenstange bewegen zu können. Auch wird im Folgenden die Selbsthemmung von Gewinden genutzt, wie in Abschnitt 4.2 näher beschrieben steht. Die Stützstangen sind nicht mit der Kolbenfläche verbunden und lassen sich unabhängig von der Kolbenstange heben und senken.
Funktion der Stützstangen ist nicht das Senken oder Heben der Kolbenstange; die Stützstangen begleiten die Bewegung der Kolbenstange im versagensfreien Zustand. Das Heben und Senken erfolgt nach wie vor über ein Druckfluid, das über eine Pumpe in die untere Kammer des Hydraulikzylinders gefördert wird.
Tritt ein plötzlicher Druckverlust ein, beispielsweise durch den Verlust des Druckmediums über eine gebrochene Leitung, dann verhindern die Stützstangen ein Absenken der Kolbenstange. Die Rückstellkraft, die durch das Eigengewicht des Gebäudes erzeugt wird, kann über die Stützstangen abgleitet werden.
Ein Vorteil dieser Fail-Safe Methode ist die zusätzliche Fixierung der Kolbenfläche. Das Auftreten schiefer Stellungen wird dadurch reduziert. Das schützt vor Verschleiß an Führungsbuchsen und Kolbenstange, was dem Erhalten der Dichtungen an den jeweiligen Funktionsflächen dienlich ist.
Kritisch zu bewerten ist der Aufwand. Für diese Fail-Safe Methode ist es notwendig, eine Steuerung einzubauen, die sicherstellt, dass die Stützstangen stets den Bewegungen der Kolbenstange folgen. Diese Steuerung kann sich durch eine Kurvensteuerung bewerkstelligen lassen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beleuchtet den Ressourcenkonflikt im modernen Bauwesen und definiert die Notwendigkeit adaptiver Tragwerke, deren Sicherheit durch Fail-Safe-Methoden gewährleistet werden soll.
2 Technischer Stand: Dieses Kapitel führt in die Grundlagen der Sicherheitstechnik ein, unterscheidet zwischen Safe-Life- und Fail-Safe-Prinzipien und beschreibt den Aufbau adaptiver Systeme sowie Methoden zur Systemanalyse.
3 Systemanalyse: Hier erfolgt eine detaillierte Untersuchung potenzieller Fehlerquellen im adaptiven System mittels FMEA sowie eine Systemkonkretisierung durch morphologische Kästen, um die Basis für Fail-Safe-Entwürfe zu legen.
4 Fail-Safe Ansätze und Lösungen: In diesem Hauptteil werden verschiedene konstruktive Lösungsansätze für adaptive Tragwerke vorgestellt, bewertet und kritisch hinsichtlich ihrer Eignung und Anwendungsmöglichkeiten diskutiert.
5 Zusammenfassung: Dieses Kapitel rekapituliert die Vorgehensweise und die zentralen Erkenntnisse der Arbeit hinsichtlich der Implementierung von Fail-Safe-Prinzipien zur Sicherung adaptiver Tragwerke.
Schlüsselwörter
Fail-Safe-Prinzipien, Adaptive Tragwerke, Sicherheitstechnik, FMEA, Systemanalyse, Aktorik, Sensorik, Regelungstechnik, Notlaufeigenschaften, Redundanz, Standsicherheit, Morphologischer Kasten, Ressourcenoptimierung, Lastverteilung, Fehleranalyse
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Sicherheit adaptiver Tragwerke. Es wird erforscht, wie durch Fail-Safe-Prinzipien verhindert werden kann, dass ein Defekt an einzelnen Komponenten zu einem Totalversagen der Gebäudestruktur führt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die Sicherheitstechnik im Bauwesen, die Funktionsweise adaptiver Systeme, die Analyse von Versagensarten durch FMEA und die Entwicklung konkreter konstruktiver Fail-Safe-Lösungen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Erhöhung der Standsicherheit von Gebäuden mit adaptiven Strukturen. Durch den Einsatz von Fail-Safe-Methoden soll sichergestellt werden, dass auch bei einem Ausfall von Aktoren ein definiertes Sicherheitsniveau nicht unterschritten wird.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Zur methodischen Untersuchung werden die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) zur Identifikation von Schwachstellen sowie der Morphologische Kasten zur kreativen Systemkonkretisierung und Lösungsfindung eingesetzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der detaillierten Ausarbeitung konkreter technischer Lösungsansätze, wie beispielsweise Stützstangen bei Hydraulikzylindern, das Ruhestromprinzip, Redundanzkonzepte und verschiedene Überwachungsmethoden für Sensorik und Aktorik.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Fail-Safe, adaptive Tragwerke, FMEA, Redundanz, Notlaufeigenschaften, Standsicherheit und Prozessüberwachung.
Warum ist die Unterscheidung zwischen Sicherheit und Zuverlässigkeit so wichtig?
Ein Bauteil kann zwar zuverlässig seine Funktion erfüllen, aber dennoch unsicher sein. Fail-Safe-Prinzipien stellen in erster Linie die Sicherheit des Gesamtsystems in den Vordergrund, auch wenn dies unter Umständen Einbußen bei der direkten Funktionstüchtigkeit eines einzelnen Bauteils in Kauf nimmt.
Welche Rolle spielt die FMEA für die Fail-Safe-Entwicklung?
Die FMEA dient dazu, kritische Stellen im adaptiven System systematisch aufzudecken, die Wahrscheinlichkeit von Fehlern zu bewerten und somit gezielt diejenigen Bereiche zu identifizieren, in denen Fail-Safe-Maßnahmen den größten Sicherheitsgewinn bringen.
- Quote paper
- Snan Idrizi (Author), 2017, Fail-Safe-Prinzipien für ausgewählte Komponenten adaptiver Tragwerke, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/432658
