Adaptivní nosná konstrukce: Revoluce ve stavbách s úsporou zdrojů


Stuttgart, 16.4.2012. Maximální zatížitelnost při minimální spotřebě materiálu: tak by měla vypadat nosná struktura dnešních staveb. Tomuto cíli se značně přiblížili vývojáři z univerzity ve Stuttgartu společně se společností Bosch Rexroth. Zkonstruovali dřevěnou skořepinu, která je mnohem subtilnější, než co bylo dosud považováno za možné. Skořepina o tloušťce pouhých 4 cm pokrývá plochu více než 100 m2. Konstrukce se nachází v kampusu Vaihingen univerzity ve Stuttgartu. Tato extrémně subtilní konstrukce skořepiny je umožněna použitím adaptivních nosníků.

Doposud byly stavební konstrukce vždy dimenzovány na určité maximální zatížení, takovéto zatížení se však zpravidla vyskytuje pouze zřídka a jenom krátkodobě. Převážná většina dnes používaných stavebních materiálů slouží těmto extrémně zřídka se vyskytujícím zatížením a je ve skutečnosti jenom velmi málo využitá. Cílem této ultralehké stavby se proto stala drastická úspora materiálu díky vylepšené reakci na dynamické zatížení. V případě této dřevěné skořepiny je tato manipulace dosažena hydraulickými pohony. Tyto pohony jsou umístěny v bodech kotvení skořepiny a vytvářejí pohyby, které cíleně kompenzují namáhání materiálu vznikající působením větru, sněhu a jiných zátěží.

Institut Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) a Institut systémové dynamiky (ISYS) univerzity ve Stuttgartu společně s firmou Bosch Rexroth poprvé vyvinuly adaptivní stavbu ve velkém měřítku. Skořepina je uložena na čtyřech bodech. Tři kotevní body se mohou nezávisle pohybovat pomocí hydraulických válců a nastavit do libovolné prostorové polohy. Snímače detekují stav zatížení na různých bodech nosné konstrukce. Cílené pohyby kotevních bodů působí proti proměnlivému zatížení a tím snižují deformace a kompenzují pnutí materiálu. To ve srovnání s konvenčními pasivními stavebními konstrukcemi snižuje množství použitého materiálu na konstrukci. Kompenzace zatížení je zajištěna řídicí jednotkou Rexroth, která byla vyvinuta speciálně pro hydraulické pohony. Hlavním úkolem řídicí jednotky je realizace komplexních hydraulických regulačních pohybů skořepinové nosné konstrukce. Nosná konstrukce tak dokáže během několika milisekund reagovat na změnu zatížení.

Aktivní tlumení chvění a kompenzace proměnlivého zatížení lze aplikovat v mnoha oblastech stavebních konstrukcí, např. u střech stadionů, výškových budov, u fasádních konstrukcí s velkým rozpětím nebo u mostních konstrukcí. Výsledky tohoto projektu představují zcela novou stavební koncepci, která šetří zdroje a současně výrazně zvyšuje nosnost konstrukcí. Aktivní tlumení dynamického zatížení (větrem, zemětřesením nebo explozí) umožňuje snížení hmotnosti a díky tomu snižuje únavu materiálu.

Pro aktivní kompenzaci zatížení a vibrací musí být nejprve přesně vypočteny nebo předpovězeny ovlivňující faktory, v dalším kroku musí být proveden výpočet potřebných kompenzačních pohybů v reálném čase, které musí být také v reálném čase realizovány). Pro tento účel byly vyvinuty simulační modely, které umožňují přesné prognózy chování struktury. Přitom je zohledněno namáhání a chvění materiálu při statickém a dynamickém zatížení. Tyto simulační modely slouží pro vývoj koncepcí potřebných kompenzačních pohybů v závislosti na vypočtených veličinách. Tyto pohyby jsou následně přesně realizovány hydraulickým systémem.

Vědecké základy projektu byly vytvořeny společně instituty ILEK a ISYS. Firma Bosch Rexroth poskytla aktivní prvky prototypu. V úzké spolupráci s univerzitou ve Stuttgartu převzala firma projektování, volbu a dimenzování hydrauliky a oživení celého systému. Institut ILEK je průkopníkem ve vývoji adaptivních staveních systémů. Základní kompetence institutu ISYS spočívá v analýze dynamických systémů a jejich cíleného ovlivňování. Pro tento účel byly vyvinuty regulační struktury koordinovaných pohybů nosné konstrukce. Firma Bosch Rexroth je celosvětově předním specialistou na řídicí a pohonné technologie. Firma je partnerem pro mobilní, strojní aplikace, inženýring, výrobní automatizaci obnovitelné energie. Společnost Bosch Rexroth vyrábí a dodává své součástky a systémy do více než 80 zemí světa.

Projekt byl integrován jako funkční model výzkumné skupiny "Hybridní inteligentní konstrukční prvky" podporované Německým výzkumným sdružením DFG. Tato skupina spojuje odborníky z oblasti strojírenství, letectví a kosmonautiky a stavebního inženýrství s procesními technologiemi. Vědeckou podporu poskytl projektu Prof. Leander Bathon (Institut pro stavební materiály a konstrukce vysoké školy RheinMain ve Wiesbadenu) a Prof. Uwe Heisel (Institut pro obráběcí stroje Univerzity ve Stuttgartu).

Projekt dále podporovali tito partneři: Sensor-Technik Wiedemann GmbH, Eschenbach Zeltbau GmbH & Co. KG, Wilhelm Gerüstbau GmbH, Ulrich Lübbert Warenhandel GmbH & Co. KG, Holzwerk Friedrich Wahl GmbH & Co. KG, Leitz GmbH & Co. KG a Rütgers Organics GmbH.

 Tisková zpráva Univerzity ve Stuttgartu z 16.04.2012

 

Aplikovaný produkt

Adaptivní nosná konstrukce (Fotografie: © Bosch Rexroth)

Reference