Generalized method for an efficient design of active hybrid structures : in the stress field between stiffness and compliance
Generalisierte Methode für einen effizienten Entwurf von aktiven hybriden Konstruktionen : im Spannungsfeld zwischen Steifigkeit und Nachgiebigkeit
- In structural engineering, active structures that combine the principles of lightweight construction with flexible component behavior are increasingly being realized. Within this approach, the lightweight design offers material-efficient structures which, due to their reduced mass, provide a good basis for an energy-efficient actuation. In addition, the use of flexible component behavior provides the possibility to keep the number of required actuators as low as possible, while maintaining a high degree of adaptability. Therefore, the resulting active hybrid structures represent a promising approach with respect to the development of sustainable active structures in our built environment. Due to a larger number of relevant objectives, this new kind of structures requires a higher design effort compared to classical structures from the field of structural engineering. This dissertation aims to contribute to a more efficient and generalized design process for active hybrid structures. In order to achieve this goal, several strategiesIn structural engineering, active structures that combine the principles of lightweight construction with flexible component behavior are increasingly being realized. Within this approach, the lightweight design offers material-efficient structures which, due to their reduced mass, provide a good basis for an energy-efficient actuation. In addition, the use of flexible component behavior provides the possibility to keep the number of required actuators as low as possible, while maintaining a high degree of adaptability. Therefore, the resulting active hybrid structures represent a promising approach with respect to the development of sustainable active structures in our built environment. Due to a larger number of relevant objectives, this new kind of structures requires a higher design effort compared to classical structures from the field of structural engineering. This dissertation aims to contribute to a more efficient and generalized design process for active hybrid structures. In order to achieve this goal, several strategies have been investigated. First of all, useful target criteria related to the mentioned relevant areas are derived. These should enable a more target-oriented design and provide a basis for formulating appropriate target weighting, allowing the development of ideal compromise solutions that combine structural stiffness, bending elastic transformation behavior and an efficient actuation concept. In addition, a variety of approaches have been investigated to improve the design process of active hybrid structures in a broad stress field between stiffness and compliance. These mainly include the aspects of structure generation, analyses for an optimal load transfer as well as the determination of an associated optimal actuation concept. In the context of this thesis, different subroutines are investigated for the mentioned partial steps of an overall hierarchical method which were implemented in a software application. Some variations of this generalized method were applied to diverse structural case studies of cantilevered systems with different degrees of structural stiffness. Three of these examples, representing segments of roof structures that differ in terms of their bending elastic transformation behavior, were analyzed in more detail in this thesis. These analysis results were verified on real active hybrid prototypes.…


- Im konstruktiven Ingenieurbau werden zunehmend aktive Strukturen realisiert, die die Prinzipien des Leichtbaus mit flexiblem Bauteilverhalten vereinen. Bei diesem Ansatz ermöglicht der Leichtbau materialeffiziente Strukturen, die aufgrund ihrer reduzierten Masse eine gute Basis für eine energieeffiziente Aktuierung darstellen. Darüber hinaus bietet der Einsatz von nachgiebigem Bauteilverhalten die Möglichkeit, die Anzahl der benötigten Aktuatoren so gering wie möglich zu halten und gleichzeitig ein hohes Maß an Adaptivität zu erreichen. Aktive hybride Konstruktionen stellen daher einen vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung nachhaltiger aktiver Strukturen in unserer gebauten Umwelt dar. Durch die größere Anzahl relevanter Zielkriterien erfordern diese neuartigen Strukturen jedoch einen höheren Planungsaufwand im Vergleich zu klassischen Konstruktionen des konstruktiven Ingenieurbaus. Diese Dissertation soll einen Beitrag zu einem effizienteren und generalisierten Entwurfsprozess für aktive hybride Konstruktionen leisten. UmIm konstruktiven Ingenieurbau werden zunehmend aktive Strukturen realisiert, die die Prinzipien des Leichtbaus mit flexiblem Bauteilverhalten vereinen. Bei diesem Ansatz ermöglicht der Leichtbau materialeffiziente Strukturen, die aufgrund ihrer reduzierten Masse eine gute Basis für eine energieeffiziente Aktuierung darstellen. Darüber hinaus bietet der Einsatz von nachgiebigem Bauteilverhalten die Möglichkeit, die Anzahl der benötigten Aktuatoren so gering wie möglich zu halten und gleichzeitig ein hohes Maß an Adaptivität zu erreichen. Aktive hybride Konstruktionen stellen daher einen vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung nachhaltiger aktiver Strukturen in unserer gebauten Umwelt dar. Durch die größere Anzahl relevanter Zielkriterien erfordern diese neuartigen Strukturen jedoch einen höheren Planungsaufwand im Vergleich zu klassischen Konstruktionen des konstruktiven Ingenieurbaus. Diese Dissertation soll einen Beitrag zu einem effizienteren und generalisierten Entwurfsprozess für aktive hybride Konstruktionen leisten. Um dieses Ziel zu erreichen, werden mehrere Strategien verfolgt. Zunächst werden Zielkriterien aus den oben genannten relevanten Bereichen abgeleitet. Diese sollen einen zielgerichteteren Entwurf ermöglichen und eine Grundlage für die Formulierung einer angemessenen Gewichtung von Zielkriterien schaffen, die die Entwicklung idealer Kompromisslösungen ermöglicht. Darüber hinaus wurde eine Vielzahl von Ansätzen untersucht, um den Entwurfsprozess von aktiven hybriden
Konstruktionen in einem breiten Spannungsfeld zwischen Steifigkeit und Nachgiebigkeit zu verbessern. Diese umfassen vor allem die Aspekte der Strukturgenerierung, Analysen eines optimalen Lastabtrags sowie die Ermittlung eines zugehörigen optimalen Aktuierungskonzepts.
Im Rahmen dieser Arbeit werden für die genannten Teilschritte einer hierarchischen Gesamtmethode verschiedene Algorithmen untersucht, die für die Entwicklung einer Plugin Software implementiert werden, um so einen Beitrag zur Anwendbarkeit der Methode zu leisten. Einige Variationen dieser generalisierten Methode werden auf verschiedene Fallstudien von auskragenden Strukturen mit unterschiedlichen Steifigkeitsgraden angewandt. Drei dieser Beispiele, die Segmente von Dachkonstruktionen darstellen, die sich hinsichtlich ihres biegeelastischen Transformationsverhaltens unterscheiden, wurden in dieser Arbeit genauer analysiert. Diese Ergebnisse wurden an realen aktiven hybriden Prototypen verifiziert.…


| Author: | Paul MarkerORCiD |
|---|---|
| URN: | urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69466 |
| DOI: | https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6946 |
| ISSN: | 2569-2798 |
| Series (Serial Number): | Schriftenreihe Hybride Konstruktionen - Massivbau (17) |
| Referee / Advisor: | Achim Bleicher, Armin Fügenschuh, Sigrid Adriaenssens |
| Document Type: | Doctoral thesis |
| Language: | English |
| Year of Completion: | 2025 |
| Date of final exam: | 2024/02/14 |
| Release Date: | 2025/06/05 |
| Tag: | Aktive hybride Konstruktionen; Aktuatorplatzierung; Digitaler Entwurf; Hierarchische Optimierung; Strukturoptimierung Active hybrid structures; Actuator placement; Digital design; Hierarchical optimization; Structural optimization |
| GND Keyword: | Tragwerk; Leichtbau; Hybridbauweise; Bauentwurf; Software |
| Institutes: | Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Hybride Konstruktionen - Massivbau |
| Licence (German): | Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International |



