Semiaktive und aktive Kontrolle von Vibrationen mittels Formanpassung

• Antragsteller: Arka Prabhata Reksowardojo, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547150077

Tragstrukturen werden in der Regel so konstruiert, dass sie Festigkeits- und Verformungsanforderungen unter extremen und daher selten auftretenden Lasten einhalten. Dies bedeutet, dass die Tragfähigkeit in der Regel für einen signifikanten Teil der Lebensdauer bei weitem nicht ausgelastet ist. Adaptive Strukturen verfügen über Sensoren und Aktoren, die eine Modifikation der Geometrie und der inneren Kräfte ermöglichen. Durch diese Integration können adaptive Systeme für vielzählige Lastszenarien eine optimale Tragwerksantwort in Bezug auf Festigkeits- und Verformungskriterien gewährleisten, anstatt den Fokus auf einen extremen Lastansatz mit langer Rückkehrperiode zu legen. Die Kontrolle von Vibrationen hat in Bezug auf tragende Baustrukturen eine zunehmende Akzeptanz erlangt, getrieben von dem allgemeinen Trend zu leichten und ultradünnen Konstruktionen mit geringerer Dämpfung und niedrigeren Eigenfrequenzen. Die Anwendung von aktiven Systemen beruht auf einer geregelten Steuerung von reaktionsabhängigen Kräften und ist nach wie vor geprägt von einem hohen operativen Energiebedarf sowie Zuverlässigkeitsproblemen bei der Hemmung von pulsartigen Störungen mit hohen Amplituden und Geschwindigkeiten (z.B. seismische und Fahrzeuganregungen), die in tragenden Baustrukturen üblich sind. Ziel dieses Projekts ist es, das Potenzial von semiaktiven und aktiven Steuersystemen auf der Grundlage von Formanpassung herauszustellen. Die Anwendung wird sich dabei auf diskrete Strukturen (z.B. Fachwerke, Rahmen, Cable-strut-Systeme) konzentrieren. Die Strukturen werden so gestaltet, dass sie sich durch kontrollierte Verformungen in Zielformen rekonfigurieren und somit die Resonanzbedingungen eliminieren. Diese Zielformen beruhen auf einer Formoptimierung, wobei stets eine Differenz zwischen den Eigenfrequenzen der Struktur und der dominanten Frequenzkomponente der Anregung gewährleistet wird. Dieser Ansatz gilt als semiaktive Steuerung, da ein Aktivierungsaufwand nur während der Formrekonfiguration erforderlich ist. Zur Bewertung des operativen Energiebedarfs der vorgeschlagenen semiaktiven Steuerungsstrategie wird diese mit modernsten, auf Zustandsreglern basierten, Strategien verglichen. Der Untersuchungsrahmen umfasst ebenfalls eine aktive Steuerungsstrategie, die Formanpassung mit einem konventionellen Zustandsregler kombiniert. Um Nichtlinearitäten aufgrund von Formrekonfigurationen zu berücksichtigen, wird ein Gain-Scheduling unter Verwendung linearer parameterveränderlicher (LPV)-Systeme übernommen. Um die Machbarkeit der vorgeschlagenen Steuerungsstrategien zu validieren, wird abschließend eine Brücke als Demonstrator zur Formanpassung im Kleinmaßstab gebaut und getestet.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeberin: Professorin Ann C. Sychterz, Ph.D.