Adaptieve constructies, afstudeerproject Mark Slotboom
28 november 2013: De laatste drie decennia is er uitgebreid, grensverleggend onderzoek gedaan naar adaptieve constructies. Studies over gebouwen en civiele technieken die in staat zijn om zich aan te passen aan verschillende omstandigheden.
Adaptieve constructies, afstudeerproject Marc Slotboom
De toepassing van deze studies is vooral gericht op constructies die belast worden door aardbevingen en dynamische problemen. Maar heeft de toepassing van een adaptieve constructie op conventionele gebouwen ook voordelen? Het doel van het proefschrift is om de belangrijkste voor- en nadelen van een adaptieve constructie bloot te leggen met behulp van een casestudie. De term ‘adaptieve constructie’ heeft in de literatuur de betekenis gekregen van een constructie die ofwel zijn geometrische vorm ofwel de materiaaleigenschappen kan veranderen. De focus van dit proefschrift is op actief adaptieve constructies, in lijn met het Load Path Management concept van Prof. Dr.-Ing. P. Teuffel.
Load Path Management
Het Load Path Management concept (LPM) is een methode om een adaptieve constructie te ontwerpen. Onder LPM valt het manipuleren van de eigenschappen en/of de interne krachten van de constructie, dat wil zeggen het beschouwen van de gehele krachtsafdracht. Dit concept is in het proefschrift uitgelegd aan de hand van twee voorbeelden, een spant bestaande uit vier staven en een uitkragend vakwerk bestaande uit tien staven.
In het spant zijn de krachtpaden geoptimaliseerd zodat er een minimale hoeveelheid materiaal nodig is. Dit resulteerde uiteindelijk in 16% minder materiaal vergeleken met dezelfde passieve spant. In het uitkragende vakwerk is naast de beheersing van het krachtenpad ook de verticale verplaatsing van de meest uiterste knoop beperkt tot nul millimeter. In de vergelijking met het passieve uitkragende vakwerk is de hoeveelheid materiaal vergelijkbaar maar de winst zit in de realisatie van een theoretisch oneindig stijf vakwerk. Dit principe is toegepast op de casestudie.
Casestudie
Het geselecteerde ontwerp voor de casestudie is een hoogbouw kantoor met de afmetingen van 153*24*110 meter (l*b*h). Dit slanke gebouw bestaat uit 27 verdiepingen waarvan 24 verdiepingen kantoorverdiepingen zijn. De hoofdstructuur van het gebouw bestaat geheel uit een stalen constructie, waarbij de stabiliteit in de slanke richting wordt geregeld door zes stabiliteitsframes. Meer dan twee derde van de totale hoeveelheid staal is gelokaliseerd in deze zes frames, waarvan de stijfheid een maatgevende factor is. Deze eigenschappen maken de stabiliteitsframes van dit ontwerp een potentieel ideale toepassing voor een adaptieve constructie.
Vervolgens is dus de LPM procedure toegepast op het stabiliteitsframe van de casestudie. De variabelen zijn de grootte en aantal van de gelimiteerde vrijheidsgraden, de locatie en minimumgrootte van de passieve elementen en in het bijzonder de verdeling van de actieve elementen. Een goede verdeling van de actieve elementen kunnen resulteren in kleinere benodigde aanpassingen en een bruikbare constructie. De duidelijke winst van het adaptieve frame is de reductie van ruim 83% staal, die vooral het resultaat is van de regulering van de horizontale verplaatsing. Echter, het resulterende frame wordt in de LPM procedure niet gecontroleerd op stabiliteit, maar alleen op sterkte-eisen.De stabiliteitsanalyses resulteren in een significante materiaaltoename vergeleken met de resultaten uit de originele LPM procedure, maar vergeleken met het passieve conventionele ontwerp is er nog steeds een materiaalreductie van ruim 67%.
Veiligheid van adaptieve constructies
Naast de stabiliteit is de veiligheid van een adaptieve constructie van meer componenten afhankelijk in vergelijking met het passieve ontwerp. Het actieve systeem kan op verschillende manieren uitvallen. Een totale uitval van alle actieve elementen kan optreden, of de weigering van een enkel actief element. Zelfs als alle actieve elementen werken, zouden zij door een verkeerd signaal een negatieve impact kunnen hebben op de constructie in plaats van het te verbeteren. Bijkomend moet het stabiliteitsframe voldoende redundantie hebben in het geval van een extreme belasting situatie.
Ondanks de extra veiligheidsoverwegingen en de materiaalreductie is er aangetoond dat er geen aanvullend materiaal nodig is om de veiligheid te garanderen. Door de toepassing van enkele ‘reserve’ actieve elementen wordt het gebouw niet minder bruikbaar als enkele actieve elementen niet werken. De aanwezigheid van actieve elementen levert zelfs meer mogelijkheden om de redundantie van de constructie te verhogen.
Bijkomende overwegingen bij adaptieve constructies
Verder is er gekeken naar enkele bijkomende onderwerpen bij het ontwerp van een aanpasbare constructie.
De activatie drempelwaarde van de windsnelheid is bepaald van het adaptieve frame. Bij een windkracht van Beaufort sterkte 7 en 8, afhankelijk van de windrichting, dient de constructie actief te worden. Dit komt neer op ongeveer drie uur per jaar.
Verder is er gekeken naar de hedendaagse mogelijkheid van de toepassing van een hydraulisch systeem. Hoewel er al veel te verkrijgen is, is voor de optimale toepassing in een grootschalig adaptieve constructie meer onderzoek naar snellere en sterkere actuatoren nodig. De vertraging veroorzaakt door de relatief trage actuatoren gaf ook de reden om de responstijd te overwegen bij veranderende windsnelheden. De adaptieve constructie hoeft niet op elke kortstondige windsnelheid verandering te reageren, maar door het voorspellen van grotere snelheidsveranderingen kan de vertraging van het systeem worden overwonnen.
Als laatste zijn de kosten van de passieve en adaptieve ontwerpen van de casestudie vergeleken. Ondanks het feit dat de kosten van het hydraulische systeem vergelijkbaar zijn met de kosten van het staal van het adaptieve frame, is er nog steeds een geschatte winst van vier miljoen euro. De vergelijking tussen het passieve en adaptieve ontwerp betreft de milieubelasting, bleek het adaptieve frame aanzienlijk beter te scoren.
Conclusie
De casestudie en alle behandelde onderdelen geven een duidelijk beeld van de mogelijkheden en het gebruik van adaptieve constructies. Duidelijk is dat er nog onderzoek nodig is op verschillende gebieden, maar er zijn geen onoverkomelijke factoren die de toekomstige toepassing van aanpasbare constructies in de weg staan. Aanpasbare constructies hebben dusdanig grote voordelen, dat het een gangbare manier van het ontwerpen van constructies zou kunnen worden.
Mark Slotboom studeerde aan de TU/e faculteit Bouwkunde en is nu werkzaam als constructeur bij Zonneveld ingenieurs.