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TP Mark/Schnell

Leichte verformungsoptimierte Schalentragwerke aus mikrobewehrtem UHPC am Beispiel von Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke



Kurzvorstellung

In der zweiten Förderperiode werden, basierend auf den Ergebnissen aus Förderperiode I, der mehrebenige Entwicklungsprozess zu einer leichten, schalenartigen Struktur für Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke fortgeführt und streng nach dem Prinzip form follows force formoptimierte Strukturen erarbeitet. Dabei wird die Entwicklung zu großformatigen Kollektoren mit Aperturweiten von bis zu 10 m und Stützweiten von 30 m forciert. Die analog zur Kollektorgröße steigenden Belastungen führen zu größeren Zugspannungen im Querschnitt, sodass diesen durch eine optimierte Bauteilgeometrie, verbesserte Materialeigenschaften oder durch die Anwendung spezieller Bewehrungstechniken wie z. B. Vorspannung gezielt entgegengewirkt werden muss. Das übergeordnete Ziel ist dabei nach wie vor das Verbleiben des Querschnitts in Zustand I. Um eine effiziente und dem Kraftfluss angepasste Struktur zu realisieren, wird der homogene Querschnitt in eine vielzellige Hohlkörperstruktur mittels topologischen Optimierungskonzepten aufgelöst, wobei stets das Erreichen des Optimums zwischen maximaler Steifigkeit und minimalem Gewicht das Ziel ist.

Als Folge der angepassten Materialverteilung resultieren Bereiche, die folglich in unabhängige Einzelstrukturen unterteilt werden können. Mit derart identifizierten Teilsegmenten des Querschnitts werden Einzelschalenfelder gebildet, die zunächst auf Robustheit gegenüber geometrischen und materiellen Unschärfen sowie gegen Stabilitätsversagen optimal ausgelegt sind, um nachfolgend die erwähnten Strategien auf die Gesamtstruktur anzuwenden. Unter Berücksichtigung bereits entwickelter Genauigkeitsverfahren zur Bestimmung der Gesamteffizienz des Kollektors entsteht somit eine ökonomische sowie robuste Tragkonstruktion, die kontinuierlich an optimierte Herstellungsverfahren und Produktionsprozesse abgestimmt wird. Explizit stehen dabei die Verarbeitung und Anpassung der Eigenschaften der Betons an die neue Struktur sowie eine entsprechende Schalungstechnik zur Herstellung filigraner Strukturen im Vordergrund, ergänzt durch eine optimierte Bewehrungstechnik.

Konzept der Topologieoptimierung im Querschnitt (links) und computeranimiertes Großdemonstratorsegment mit 10 m Aperturweite als schematische Hohlkörperstruktur (rechts)

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Peter Mark
Peter.Mark@rub.de
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Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell
juergen.schnell@bauing.uni-kl.de
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Bearbeiter

Christoph Kämper, M.Sc.
christoph.kaemper@ruhr-uni-bochum.de
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Dipl.-Ing. Tobias Stallmann
tobias.stallmann@bauing.uni-kl.de
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Patrick Forman (RUB, Förderphase I bis 10/2014)
Dipl.-Ing. (FH) Sören Müller (Uni KL, Förderphase I bis 10/2014)
Janna Krummenacker (Uni KL, Förderphase II bis 08/2015)

Projektlaufzeit:

Förderphase 2 von 10/2014 bis 09/2017

Im ersten Jahr der zweiten Förderperiode wurde, basierend auf den Entwicklungen zu kleinformatigen Kollektor-Modulen, aus einem homogenen, dünnwandigen Querschnitt ein aufgelöster Querschnitt in Form einer Hohlstruktur für großformatige Kollektor-Module mit Aperturweiten von bis zu 10 m entwickelt (Bild 1). Erste Ermittlungen der optischen Wirksamkeit η unter vereinfachten Annahmen für Eigengewicht, Wind und Temperatur zeigen, dass für eine optische Wirksamkeit von η = 1 mindestens eine Konstruktionshöhe von ~0,5 m im Scheitel vorzusehen ist (Bild 2). Eine höhere Struktursteifigkeit bei gleicher Volumenreduktion kann dabei durch eine optimierte Materialverteilung im Querschnitt sowie angepassten Hohlstellenformen realisiert werden. Dies ist Gegenstand laufender Forschungen.

Bild 1: Konzept des großformatigen Kollektors aus hochfestem Beton

Bild 2: Wirksamkeitsanalyse für einen Vollquerschnitt (links) und einen Hohlquerschnitt (rechts) nach dem Modell aus Bild 1


Veröffentlichungen

[1] Forman, P.; Müller, S.: Shape-optimised Parabolic Trough Collectors made of micro reinforced Ultra High Performance Concrete. In: Müller, H. S.; Haist, M.; Acosta, F. (Eds.): Proceedings of the 9th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 22.−25.07.2012, Karlsruhe, Germany. KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, 2012, S. 297−302
[2] Müller, S.; Forman, P.; Schnell, J.; Mark, P.: Collectors for solar parabolic power plants made of micro reinforced Ultra High Performance Concrete. In: Uzoegbo, H. C.; Schmidt, W. (Eds.): Proc. of the International Conference on Advances in Cement and Concrete Technology in Africa ACCTA 2013, 28.−30.01.2013, Johannesburg, South Africa, BAM Federal Institute for Materials Research and Testing, pp. 491−498 (CD-ROM)
[3] Müller, S.; Forman, P.; Schnell, J.; Mark, P.: Leichte Schalen aus hochfestem Beton als Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013) 11, S. 752−762
[4] Forman, P.; Müller, S.: Verformungsoptimierte Parabolrinnenkollektorschalen aus hochfestem Beton. In: Breitenbücher, R.; Mark, P. (Hrsg.): Beiträge zur 1. DAfStb-Jahrestagung mit 54. Forschungskolloquium in Bochum, 07.−08.11.2013, Ruhr-Universität Bochum, 2013, S. 15−22
[5] Schnell, J.; Mark, P.: Parabolic troughs of high-strength concrete for solar power plants. BFT International (2014) 2, S. 84−85
[6] Müller, S.; Forman, P.; Schnell, J.; Mark, P.: Kollektorelemente solarthermischer Kraftwerke aus innovativen hochfesten Betonfertigteilen. BetonWerk International (2014) 5, S. 182−188
[7] Müller, S.; Forman, P.; Schnell, J.; Mark, P.: Innovative concrete parabolic trough collectors for solar power plants as an example for concrete in mechanical engineering. In: Justnes, H. (Ed.): Proceedings of the 1st Concrete Innovation Conference (CIC) 2014, 11.−14.06.2014 in Oslo (Norway), SINTEF Building and Infrastructure, 2014, S. 97 (abstract, full paper on CD)
[8] Müller, S.; Forman, P.; Schnell, J.; Mark, P.: Concrete collectors for parabolic trough solar power plants. In: Bastien, J.; Rouleau, N.; Fiset, M.; Thomassin, M. (Hrsg.): Proceedings of the 10th fib international PhD Symposium in Civil Engineering, 21.−23.07.2014 in Quebec City (Canada), Research Centre on Concrete Infrastructure (CRIB), Université Laval, Québec: print on demand 2014, S. 309−314
[9] Forman, P.; Mark, P.: Numerische Simulation und Optimierungsstrategien für Betonschalen von Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 242−253 − http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171546
[10] Müller, S.; Schnell, J.: Parabolrinnen für solarthermische Kraftwerke. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag Institut für Massivbau der TU Dresden, 2014, S. 94–101 – http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-171407
[11] Forman, P.; Müller, S.; Mark, P.: Schnell, J.: Design, detailing and future potential of high-strength concrete collector modules for parabolic troughs. ALITinform 36 (2014) 4–5, S. 48−56
[12] Forman, P.; Müller, S.; Ahrens, M. A.; Schnell, J.; Mark, P.; Höffer, R.; Hennecke, K.; Krüger, J.: Light concrete shells for parabolic trough collectors – Conceptual design, prototype and proof of accuracy. Solar Energy 111 (2015), S. 364–377 – doi:10.1016/j.solener.2014.11.002
[13] Kämper, C.; Krummenacker, J.; Forman, P.; Mark, P.; Schnell, J.: Slender large-scale parabolic troughs using shape-optimized hollow structures made of high-strength concrete. In: Papadrakakis, M.; Papadopoulos, V.; Plevris, V. (Hrsg.): Proc. of the 5th International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering (COMPDYN 2015), ECCOMAS Thematic Conference, Kreta (Greece), 2015.
[14] Kämper, Chr.; Krummenacker, J.; Forman, P.; Mark, P.; Schnell, J.: Lightweight thin-walled shell structures made of high-strength concrete for parabolic trough collectors. In: KIVI (Hrsg.): Future Visions – Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2015, 17.–20.8.2015 in Amsterdam (the Netherlands), paper No. IASS2015-504012, 10 S., ISBN (Electronic): 978-90-5363-042-6, 08/2015 (published on USB stick).
[15] Schnell, J.; Kämper, C.; Krummenacker, J.; Mark, P.: Design of light-weigth, large-scale Parabolic Troughs made of high-strength Concrete In: Proceedings of the 11th Central European Congress on Concrete Engineering, 1.10.2015 in Hainburg (Austria), pp. 18-21
[16] Smarslik, M.; Kämper, C.; Forman, P.; Stallmann, T.; Mark, P.; Schnell, J.: Topologische Optimierung von Betonstrukturen. In: Scheerer, S.; van Stipriaan, U. (Hrsg.): Festschrift zu Ehren von Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach, Dresden: Institut für Massivbau der TU Dresden, 2016, S. 234–255 (open access)
[17] Forman, P.; Kämper, C.; Stallmann, T.; Schnell, J.; Mark, P.: Parabolschalen aus Hochleistungsbeton als Solarkollektoren. Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016) 12, S. 851–861

Patente

[1] Weissbach, R.: Die abrollende Parabolspiegelrinne. Schutzrecht DE102011011805 A1. Industrial property right (23.08.2012)