Die Belastungen, denen die Tragwerke von Brücken, Gebäuden und anderen baulichen Konstruktionen ausgesetzt sind, können enorm sein. Da die Belastungen durch Umwelt- und Umgebungsänderungen nicht genau prognostiziert werden können, verwenden die Verantwortlichen meist eine konservative Schätzung nach oben. Das führt in der Regel zu meist überdimensionierten Tragwerken. Forschende an der Universität Stuttgart haben nun adaptive, aktive Tragwerkselemente entwickelt. Mit diesen kann das Lastabtragsverhalten in einem Tragwerk angepasst und manipuliert werden. So entsteht eine Ultraleichtbaukonstruktion.

Wie funktionieren die neuen adaptiven Tragwerkselemente?

Mit dieser ultraleichten Konstruktion für den Bau können im Vergleich mit dem bislang bekannten und verwendeten Leichtbau hohe Einsparungen auf der Materialseite vorgenommen werden. Dies kann passieren, ohne dass sich die Sicherheit des Tragwerks verschlechtert.

Bei den neuen Tragwerkselementen werden Aktoren, das sind aktive Elemente, entweder parallel oder auch seriell in die jeweils passiv vorliegende Tragestruktur integriert. Entwickelt wurde diese neue bahnbrechende Technologie von Dr. Michael Böhm und Julia Wagner am ISYS – dem Institut für Systemdynamik – in enger Kooperation mit Timon Burghardt vom IKTD – dem Institut für Konstruktion und technischem Design. Die so entstandenen Aktorik-Baugruppen setzen sich sowohl aus einem aktiven Element, als auch aus mechanischen Bauelementen zusammen. Letztere gelten der Kraftübertragung. Die mechanischen Bauelemente können im passiven Zustand für die Aufrechterhaltung der Vorspannung sorgen. Das bedeutet, dass jene Elemente, die diese Aufgabe bislang übernahmen, wegfallen können.

Höherer Widerstand gegen Verformung

Nicht nur die Leichtigkeit des Materials und das entsprechende Einsparungspotential sind beeindruckend. Dies gilt auch für die Tatsache, dass das Ultraleichtbau-Tragwerk dazu in der Lage ist, Verformungen durch statische sowie dynamische Lasten aktiv auszugleichen. Egal ob Zug- oder Druckkräfte – beide werden vom neuen Tragwerk ausgezeichnet abgeleitet. Das funktioniert durch die Kombination von Sensorik und Steuereinheit. Dabei können die aktiven Elemente im Tragwerk zum Beispiel durch pneumatische, hydraulische oder piezo-elektrische Körper bewegt werden.

Geringerer Materialaufwand

Adaptive Tragwerkselemente machen es möglich, den Materialaufwand signifikant zu verringern. Das bedeutet auch, dass man so das Gesamtgewicht eines Bauwerks in Zukunft erheblich senken kann. Da somit auch die Schwingungen reduziert werden, steigt gleichzeitig die Lebensdauer der tragenden Struktur erheblich an. Das macht den Bau ressourceneffizient, günstiger und nachhaltiger, da so CO2-Emissionen eingespart werden.

Das Patent für die adaptiven Tragwerkselemente wurde eingereicht. Sie werden in Zukunft auch den Bau von Hochhäusern beeinflussen. Aber auch bestehende Bauwerke wie Brücken können durch nachträgliches Einbauen davon profitieren.