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Smart Materials sind Ein- oder Mehrkomponentenstoffe, die unter einem äußeren Einfluß bestimmte materialtypische Eigenschaften ändern oder äußerst ungewöhnliche Eigenschaften zeigen. Es folgt eine Klassifizierung mit Beschreibung deren Eigenschaften.

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Adaptronik beschreibt den Technologiebereich zur Schaffung einer neuen Klasse von sogenannten Intelligenten Strukturen. Dieses Konzept geht von der Entwicklung adaptiver Systeme aus, die sich über autonome, d. h. selbstregelnde Mechanismen an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen. Voraussetzung dafür ist die systemoptimale Verknüpfung von Sensoren und Aktuatoren auf der Basis von neuen Funktionswerkstoffen wie z. B. piezokeramischen Fasern und Folien mit adaptiven Reglern. So können diese neuartigen Struktursysteme auf äußere Veränderungen selbstoptimierend reagieren, bevor beispielsweise störende Verformungen auftreten. Dadurch wird es u. a. möglich, unmittelbar am Entstehungsort der Störung Schwingungen und damit verbundene Schallprobleme zu unterbinden. Herkömmliche Ansätze zur Verbesserung des akustischen Verhaltens von Leichtbaustrukturen basieren darauf, primäre Schallquellen durch destruktive Interferenz mittels elektronisch gesteuerter Sekundärquellen (Lautsprecher) abzuschwächen. Hier soll die vibrierende Leichtbaustruktur aktiv mittels angesteuerter piezokeramischer Aktuatoren beeinflußt werden, um das schallintensiv abstrahlende Strukturverhalten positiv zu verändern. Dazu kommt als experimentelles Verfahren die räumliche Schallfeldtransformation (Spatial Transformation of Sound Fields, STSF) zum Tragen.

In dieser Veröffentlichung werden adaptive Strukturen vor dem Hintergrund gekoppelter Mehrfeldprobleme diskutiert. Zuerst werden Charakteristika adaptiver Strukturen in der Luft- und Raumfahrt dargelegt. Anschließend werden vier grundlegende Wirkprinzipien adaptiver Strukturen eingeführt, und zwar Formadaption, Gegenwirkung, Energieabsorption und die aktive Beeinflussung des Energieaustausches mit der Umgebung. Danach werden verschiedene adaptive Materialien vorgestellt und miteinander verglichen hinsichtlich ihrer möglichen Einsatzgebiete und Grenzen. Weiterhin wird auf stimulierbare Polymer-Gele und ihren Einsatz als künstlicher Muskel oder Aktuator mit sehr großer aktiver Dehnung eingegangen. Hierbei werden das zugehörige chemo-elektro-mechanische Mehrfeldproblem sowie eine Kopplungsstrategie zu dessen Lösung vorgestellt. Zum Abschluß wird die Anwendung aktiver Materialien zur adaptiven Verwölbung eines Hubschrauber-Rotorblattes behandelt. Es werden gekoppelte numerische Simulationen des aeroelastisch unbalancierten adaptiven Strukturkonzeptes durchgeführt.

Das Hanshin-Erdbeben (Januar 1995, Kobe, Japan), das eine große moderne Stadt verwüstete, war eine neue und lehrreiche Erfahrung für Tragwerksplaner und -forscher: der Wechsel von konventionellen erdbebenresistenten Tragwerken zu Tragwerken mit kontrolliertem Antwortverhalten (inklusive seismisch isolierten Tragwerken), die in der Lage sind Schwingungen infolge Erdbeben zu reduzieren sowie die Weiterentwicklung dieses Konzeptes. Basierend auf Studien über Tragwerke mit kontrolliertem Antwortverhalten, die von den Autoren vor 15 Jahren begonnen wurden, hat die Erforschung und Anwendung dieser neuartigen Strukturen landesweit seit 1995 an Bedeutung zugenommen; heutzutage sind die meisten Hochhäuser in Japan, mit einer Höhe von mehr als 60 m, mit passiven Kontrollsystemen, die verschiedene Typen von Dämpfern beinhalten, ausgestattet. Japan ist nun führend auf dem Gebiet der praktischen Anwendung von aktiven und semi-aktiven Systemen, die effizient Schwingungen reduzieren. Dieser Bericht präsentiert den momentanen Stand der praktischen Anwendung von Tragwerken mit kontrolliertem Antwortverhalten in Japan, die Durchführung von Forschungen und Entwicklungen der Autoren sowie die Beschreibung des hybriden Kontrollsystems mit einer detaillierten Erklärung des Kontrollmechanismus. Es handelt sich dabei um einen typischen Fall von einem aktiven Antwortkontrollsystem, das durch solche Bemühungen entwickelt wurde.

Fluidic Muscle wird unter anderem als adaptives Spannglied für die variabel-statischen Elemente von Airtecture eingesetzt.

Es wird über die Realisierung des Entwurfes von 1991 für den internationalen Wettbewerb "Tower for Glasgow" im Zusammenhang mit dem Imax und dem Exploratorium als Teil des neuen schottischen Wissenschaftszentrums bei Pacific Quay berichtet. Zur Zeit ist die erste Variante des Wing Towers auf dem River Clyde Gelände im Bau; das Bauwerk soll bis April 2001 vollendet sein. Es handelt sich um ein einzigartiges Bauprojekt - bisher wurden nur wenige adaptive Tragsysteme realisiert.

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In der Energiebilanz moderner Verwaltungsgebäude spielen neben dem Wärmeeintrag durch innere Wärmequellen besonders die Energieflüsse über die Gebäudehülle - einschließlich der Lüftung - eine dominierende Rolle für das Raumklima und die Anforderungen an die technische Gebäudeausrüstung. Dabei führen die verständlichen Nutzerwünsche in Mitteleuropa nach öffenbaren Fassaden und individuellem Raumkomfort in Temperatur und Beleuchtung zu zusätzlichen Anforderungen. Eine adaptive, d. h. eine sich anpassende Gebäudehülle in Fassade und Dach, besonders über großen Glashallen, kann zur Minimierung der externen Lasten führen und gleichzeitig den individuellen Komfort der Räume optimieren. Als zusätzliche Konsequenz läßt sich damit die technische Gebäudeausrüstung reduzieren, was sich sowohl in den Investitionskosten wie den Betriebskosten bemerkbar macht. Im folgenden Artikel wird diese Konzeption nach einer kurzen Beleuchtung der energetischen Randbedingungen anhand von ausgeführten oder sich in Planung oder Bau befindlichen Projekten erläutert. Für eine derartige Konzeption spielt der interdisziplinäre Planungsansatz eine wichtige Rolle, da somit die Gebäudehülle nicht mehr nur architektonischen Anforderungen genügen muß.

Im folgenden Beitrag werden die speziellen elektrooptischen Eigenschaften von Funktionsgläsern auf Flüssigkristallbasis beschrieben. Heutige Anwendungen solcher adaptiver Elemente im Bereich der Architektur werden vorgestellt.

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Gasochrome Verglasungen eignen sich besonders gut als Überhitzungs- oder Blendschutz in Gebäuden, da sie in ihrer Transmission schaltbar sind. Im Vergleich zu elektrochromen Systemen weisen sie einen einfachen Schichtaufbau auf und erreichen eine hohe Transmission im entfärbten Zustand.

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Moderne Verglasungen und transparente Dämmsysteme ermöglichen Solargewinne in Gebäuden, die im Winter zu erheblichen Heizwärmeeinsparungen führen. Bei großflächigem Einsatz werden jedoch Kontrollsysteme nötig. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeitet zusammen mit den Industriepartnern BASF AG, Sto AG, Interpane E&BmbH und Okalux GmbH im Rahmen eines Verbundprojektes an der Entwicklung thermotrop schaltbarer Verglasungen und transparenter Dämmsysteme. Integrierte thermotrope Schichten ermöglichen die Selbstregelung der Systeme durch die temperaturabhängige Variation ihrer Transmission. Bei Temperaturen über der Schalttemperatur erscheinen die Schichten weiß, der Energieeintrag ins Gebäudeinnere wird stark reduziert. Die Durchsicht bleibt nicht erhalten. Forschungsarbeiten laufen zur Zeit, eine Markteinführung der Systeme ist erst mittelfristig zu erwarten.

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Obwohl schlanke windbelastete Schalen stabförmig sind, verhalten sie sich nicht stabartig. Der Windsog an den Flanken bewirkt eine Ovalisierung des Querschnitts, die mit Abweichungen der Schnittgrößen von der Stabtheorie verbunden ist. Für den Einfluß der Beanspruchung in Umfangsrichtung auf den Tragsicherheitsnachweis unterstellt DIN 4133 eine vorherrschende Abhängigkeit von der Dünnwandigkeit. Im Beitrag wird ausgeführt, daß dies nicht zutreffend ist, sondern daß sich der Anstrengungszustand als Funktion der bezogenen Abklinglänge der Semimembranlösung und damit in Abhängigkeit von den beiden Ähnlichkeitsparametern Schlankheit und Dünnwandigkeit angeben läßt. Auf der Basis von FE-Analysen werden Änderungsvorschläge zu den gegenwärtigen Regelungen unterbreitet, durch die die o. g. Inkonsistenzen vermieden werden und sich zudem die Handhabbarkeit für den entwerfenden Ingenieur verbessert.