D1244 im Betrieb

Das globale Bauen ist für etwa 50 % der weltweiten CO‐Emissionen und des Ressourcenverbrauchs verantwortlich. Um zukunftsfähig zu sein, bedarf es einer drastischen Reduktion, was jedoch im Widerspruch steht zur weltweiten Demografie, die durch Bevölkerungsanstieg und Urbanisierung gekennzeichnet ist. Ein möglicher Ansatz sind adaptive Tragwerke, die mit verteilter Aktorik und Sensorik ausgestattet durch geometrische Adaption die Verformungen und Spannungsverteilungen unter Last manipulieren können. Für Hochhäuser ermöglicht diese Technologie etwa eine Halbierung des Ressourceneinsatzes. Der weltweit erste Prototyp wurde Ende 2021 auf dem Campus der Universität Stuttgart eingeweiht. Das D1244 ist mit zwölf Stockwerken auf einer Grundfläche von 5 m × 5 m insgesamt 36 m hoch und besitzt 24 hydraulische Aktoren, 128 DMS sowie ein optisches Messsystem, das mit zwei Kameras an 16 Punkten des Tragwerks die Verformungen in der Ebene parallel zum Kamerasensor im Submillimeterbereich misst. In diesem Beitrag wird aufgezeigt, welche Schritte innerhalb der modellbasierten Entwicklungskette zur Automatisierung und Regelung des Hochhauses bisher erfolgt sind und welche Ergebnisse erzielt wurden. Dabei wird auf die experimentelle Modellidentifikation und den darauf aufbauenden Regler‐ und Beobachterentwurf eingegangen. Die verwendeten Algorithmen zur Fehlererkennung werden vorgestellt und auf Basis von ersten Validierungsmessungen wird ihre grundsätzliche Funktionalität nachgewiesen.

Global construction is responsible for about 50 % of the world‘s CO‐emissions and resource consumption. For a sustainable future, a drastic reduction is required, which, however, is in contradiction to the worldwide demographics characterized by population increase and urbanization. One possible approach are adaptive load‐bearing structures equipped with distributed actuators and sensors that can manipulate deformations and stress distributions under loads through geometric adaptation. For high‐rise buildings, this technology enables a reduction of resource consumption by about 50 %, for example. The world‘s first prototype was inaugurated at the end of 2021 on the campus of the University of Stuttgart. With twelve floors on a base area of 5 m × 5 m, the D1244 is 36 m high and has 24 hydraulic actuators, 128 strain gauges, and an optical measurement system that uses two cameras to measure deformations at 16 points on the structure in a plane parallel to the camera sensor with submillimeter precision. This paper illustrates the steps within the model‐based development chain for automation and control of D1244 that have been accomplished and the results that have been achieved on this high‐rise building. The experimental model identification and the subsequent model‐based controller and observer design are discussed. Finally, the algorithms used for fault detection and diagnosis are presented and their basic functionality is demonstrated on the basis of initial validation measurements.