A Case Study on Design and Optimization of Adaptive Civil Structures

Abstract

Taking advantage of adaptivity in the field of civil engineering is a subject of ongoing research. Integration of adaptive elements in load-bearing structures is already well-established in many other engineering fields, albeit mostly for different purposes than withstanding predominantly static loads. Initial investigations have demonstrated potential for substantial material and energy savings also in the field of civil engineering, especially for high-rise buildings and wide-span structures, such as roofs or bridges. Adaptive civil structures show promise in tackling current challenges arising from emissions and shortages of materials. In this study, we compare the possible minimum-weight designs for different actuator placement approaches and for different structural topologies that satisfy various constraints for high-rise buildings. We use case studies as illustrative examples to show which advantages and disadvantages can be expected from a specific design. The overarching aim is to learn how truss and beam structures should be designed to perform well as adaptive structures.

An Actuator Concept for Adaptive Concrete Columns

“…σ ϕ being the tangential stress in the (steel) envelope, d the diameter of the concrete cylinder, t the thickness of the (steel) envelope and s being the space of the cavity filled with the actuator fluid. As can be seen from Equation (8), the tangential stresses increase in proportion with the overall diameter of the adaptive column. Thus, with an increasing diameter, a thicker or higher strength envelope is needed for the same lateral hydraulic pressure.…”

“…Integrating actuators and sensors into the load-bearing structure and establishing a control algorithm allows the structure to manipulate its load-bearing behavior to adapt optimally to the given situation. This can lead to substantial material and emission savings [8][9][10][11], as explained in the following. First, the load-bearing structure has to withstand any loading that may occur (with a certain probability) during its use phase.…”

Ökobilanzierung adaptiver Hüllen und Strukturen

“…Eine Massereduktion hat dabei die Verletzung der Gebrauchstauglichkeit zur Folge, die dann durch Adaption wiederhergestellt werden kann, während die Standsicherheit auch im passiven Fall gewährleistet ist. Beim Entwurf eines adaptiven Tragwerks erscheint es deshalb günstig, zunächst eine möglichst ausgeprägt steifigkeitsdominierte Situation, also ein weiches, aber festes Tragwerk zu erzeugen und in Kombination mit der Adaption ein System hervorzubringen, bei dem beide Aspekte (Steifigkeit und Festigkeit) gleichzeitig kritisch werden [8]. Die weiche Auslegung hat den Nebeneffekt, dass die erforderlichen Aktuierungskräfte kleiner sind als bei einem steifen Tragwerk.…”

Adaptive Hüllen und Strukturen

“…Im ersten Schritt können damit bei konventionellen Tragwerken Aktoren so platziert werden, dass gegebene Lasten optimal kompensiert werden [13]. Aufbauend darauf wird in [15] gezeigt, dass eine ganzheitliche Optimierung von Tragwerksdimensionierung, Aktorpositionen und deren Kräften zu einer weiteren Reduktion der Tragwerksmasse bzw. einem effizienteren Tragwerk führt, weshalb solche adaptiven Typologien in Zukunft gezielt erforscht werden sollen.…”