Unsicherheit in aktiver Knickstabilisierung

Schlanke Balken in leichten mechanischen Tragwerken sind bei Druck-Axiallasten durch Knicken störanfällig. Die maximal ertragbare axiale Belastung eines Balkens wird durch Unsicherheit in Bezug auf Material, Geometrie, Belastung oder Stützeigenschaften erheblich verringert, kann jedoch durch aktive Knickkontrolle erhöht werden. In Rahmen des Teilprojekts C2 des Sonderforschungsbereichs 805 wird am Fachgebiet SAM die aktive Knickstabilisierung eines praktischen Rundbalkens mit relativ geringem Schlankheitsgrad und relativ hoher kritischer Knicklast sowie dynamischer Axiallast untersucht (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: a) Rundbalken mit piezo-elastischem Lager, b) Schnittansicht vom piezo-elastischen Lager

Ziel ist es, die maximal ertragbare Axiallast zu erhöhen und die Unsicherheit des Versagens durch Knicken zu verringern. Für letztere wird die probabilistische Unsicherheit der maximal ertragbaren Axialkräfte und der lateralen Auslenkungen des passiven und aktiven Balkensystems quantifiziert sowie experimentell ausgewertet. Für die experimentellen Ergebnisse unter quasi-statischen Axiallasten (siehe Abbildung 2) steigt die wahrscheinlichste maximal ertragbare Axiallast um 29% und die Variabilität reduziert sich im Vergleich zum passiven Balkensystem um 70%. Insgesamt tragen die Ergebnisse dieses Teilprojekts zur Anwendung der aktiven Knickkontrolle in praktischen Fachwerkstrukturen bei.

Abbildung 2: a) absolute modale Auslenkung gegenüber Axiallast, b) normalisiertes Histogramm und gefittete Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (pdf)

In der aktuellen Forschung wird die aktive Knickstabilisierung dreidimensionaler Tragwerkstrukturen untersucht (siehe Abbildung 3). Quasi-statische und dynamische Leistungsfähigkeit gegen Axiallast von passiven und aktiven Tragwerkstrukturen werden miteinander verglichen und die Unsicherheit in der Knickstabilisierung des Tragwerks mit dynamischer Axiallast wird quantifiziert sowie bewertet.

Abbildung 3: a) CAD-Skizze der aktuellen experimentellen dreidimensionalen Tetraeder-Tragwerkstruktur, b) Foto des experimentellen Versuchsstands