Enss, Georg Christoph (2016)
Beherrschung von Unsicherheit am Beispiel eines aktiv gegen Knicken stabilisierten Systems.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Unsicherheit tritt im Betrieb lasttragender Leichtbaustrukturen auf und kann zu unvorhergesehenem Versagen von Bauteilen führen, z. B. infolge plötzlicher Überlasten. In Leichtbaustrukturen werden häufig Lasten durch schlanke Balken unter axialer Last übertragen. Wirkt auf einen Balken eine überkritische axiale Druckbelastung, so kann ein plötzliches Stabilitätsversagen, das Knicken, auftreten. Im industriellen Einsatz werden Bauteile meist so überdimensioniert, dass Knicken nicht auftritt. In der Forschung gibt es Ansätze, Strukturen durch Zuführen von Energie mit Einsatz von Wandlerwerkstoffen und Regelalgorithmen aktiv zu stabilisieren und dadurch die Gefahr eines Versagens durch Knicken zu minimieren. Unsicherheit wird in diesen Arbeiten nicht systematisch untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist einerseits die Entwicklung einer Technologie zur aktiven Stabilisierung eines Balkens gegen Knicken, um auf Unsicherheit in der Belastung, z. B. unerwartete Überlasten, reagieren zu können und andererseits Unsicherheit zu beschreiben und zu bewerten, die infolge der aktiven Stabilisierung in das System eingebracht wird. Der in der vorliegenden Arbeit verfolgte Ansatz der aktiven Stabilisierung gegen Knicken eines fest-gelenkig gelagerten Balkens basiert auf einer gezielten lateralen Einleitung aktiver Kräfte in der Nähe der Balkenlagerung, um ein Ausknicken zu verhindern, aber ohne die strukturdynamischen Eigenschaften des Balkens durch Anbringen von Aktuatoren zu beeinflussen. Durch die aktive Stabilisierung kann ein Ausknicken verhindert und die ertragbare Last in der experimentellen Simulation bis 40% oberhalb der kritischen Knicklast des passiven Balkens erhöht werden. Zusätzlich wird der Einfluss lateraler Störkräfte auf das aktive System untersucht. Begleitend zur technologischen Entwicklung wird Unsicherheit im Betrieb des passiven und aktiven Balkensystems in Stichprobenversuchen untersucht und quantitativ beschrieben. Zur Bewertung von Unsicherheit wird die jeweils ertragbare Axiallast verwendet, anhand derer ein Vergleich zwischen der aktiven und passiven Lösung ermöglicht wird. Die Beherrschung von Unsicherheit erfolgt schließlich durch die Anwendung der aktiven Stabilisierungstechnologie. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Stabilisierung eines schlanken Balkens unter axialer Last gegen Knicken vorgestellt. Neu ist ferner der methodische Ansatz, Unsicherheit passiver und aktiver Systeme anhand eines Kennwerts basierend auf Ausfallwahrscheinlichkeiten zu bewerten.

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