Mark - Dünne Schalen aus Hochleistungsbeton als

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Dünne Schalen aus Hochleistungsbeton
als Parabolrinnenkollektoren
Prof. Dr.-Ing. Peter Mark
Dipl.-Ing. Patrick Forman
Christoph Kämper, M. Sc.
Ruhr-Universität Bochum
www.massivbau.rub.de
Mark:
Betonschalen für Parabolrinnenkollektoren
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell
Dipl.-Ing. Sören Müller
Dipl.-Ing. Janna Krummenacker
TU Kaiserslautern
www.bauing.uni-kl.de/massivbau/home/
18. Sonnenkolloquium, Köln
19.05.2015
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Inhalt
• Motivation & Konzepte
• Material, Formfindung & Einwirkungen
• Demonstrator
• Weiterentwicklungen
 offene Rippenstrukturen / Composite
 Hohlstrukturen
Mark: Betonschalen für Parabolrinnenkollektoren,
18. Sonnenkolloquium, Köln
19.05.2015
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Motivation
• Zusammenführung von Längs- und
Quersystem
• Kontinuierliche Reflexionsfläche
• Spiegel ohne eigene Steifigkeit bzw. als
Composite (z. B. Aluminium)
• Automatisierte Serienfertigung
• Strukturoptimiert, „form follows force“
[Pottler, 2004]
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art´otel
© Stanecker Betonfertigteilwerk GmbH
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Konzept 1
Öffnungsweiteweite w
5,77 m
Fokallänge f
1,71 m
Kollekterelementlänge l
12,00 m
Durchmesser Absorberrohr d
70 mm
Konzentrationsfaktor C
82:1
up
Ha
[Dicleli, 2013]
Ko
[Tetzlaff, 1953]
tn
n
pan
s
l
a
orm
un
g
n
sig
e
d
pt
n ze
Schale
Zugband
Auflager,
Rotationsachse
Randsteife
Seitenschott
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Reflektoroberfläche
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Konzept 2 / Demonstrator
Öffnungsweite w
2,205 m
Fokallänge f
0,78 m
Kollekterelementlänge l
3,20 m
Durchmesser Absorberrohr d
51 mm
Konzentrationsfaktor C
43:1
alrm g
o
tn
up unn
Ha ann
sp
φr
t1
Randsteife
t0
Fokallänge f
Ko
gn
esi
d
t
p
n ze
Schale
Rolllager
Reflektoroberfläche
c
Öffnungsweite w
c
Randsteife
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Material
Nanodur compound 5941
1042,0 kg/m³
Wasser
160,0 kg/m³
Splitt 1/3
882,0 kg/m³
Sand 0/2
426,0 kg/m³
Fließmittel
Schwindreduzierer
20,3 kg/m³
8,0 kg/m³
Elastizitätsmodul
Biegezugfestigkeit
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47.593 N/mm²
15 N/mm²
Zylinderdruckfestigkeit
109 N/mm²
Festbetonrohdichte
2524 kg/m³
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Formfindung
Detail
Lagerung, Drehpunkt,
Antriebstechnik, ...
Konzeptebene
Schwingungsanalyse
Schale
Schalendicke, Randsteife,
Seitenschott, ...
Detail
Punktuelle Lasteinleitungen,
Anschluss des Zugbands, ...
Detail
Formoptimierung
•
Multikriterielle Problemstellung aufgelöst durch nachgeschaltete Genauigkeitsbewertung
•
Restriktionen
maßgeblich basierend
auf der Zugfestigkeit des
Betons
Numerische Analyse
Ändern der
Entwurfsvariablen
i = i+1
Analysemodell
Auswertung
(„output“)
nein
Optimum
erreicht?
Optimierungsalgorithmus
LFK1 (Φ = 0°)
max σI,LFK1(x) ……………. ≤ σzul
[g1(x)≤0]
LFK2 (Φ = 45°)
max σI,LFK2(x) ……………. ≤ σzul
[g2(x)≤0]
LFK3 (Φ = 90°)
max σI,LFK3(x) ……………. ≤ σzul
[g3(x)≤0]
LFK4 (Φ = 135 °)
max σI,LFK4(x) ……………. ≤ σzul
[g4(x)≤0]
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ja
Ggf. weitere Iteration
Startentwurf
Optimierung
Entwurfsvariablen („input“)
x = {x1,i x2,i x3,i … xk,i}; i = 0
Optimaler
Entwurf
Integrale
Verformungskontrolle der
Strahlenfokussierung
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f
Fokallänge
f
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∆x
∆θ
Öffnungsweite w
1
𝑓𝑝𝑡
𝜑𝑟
tan
𝜑
2 −1
𝜃 = cot 𝑟 ⋅ 2
2
𝐶𝜃
0
𝑓ü𝑟 𝜃 < 𝜃1 =
1/2
𝑠𝑖𝑛𝜑𝑟
𝐶
Akzeptanzkriterium für
lokale Winkelfehler
𝑓ü𝑟 𝜃1 < 𝜃 < 𝜃2
𝜑
2 tan 2𝑟
𝑓ü𝑟 𝜃 > 𝜃2 =
𝐶
Integrale Wirksamkeit über projizierte Kollektoroberfläche
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𝜂=𝐴
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𝐴
𝑓𝑝𝑡 𝜃 𝑑𝐴
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0
=1
1
 = 4.2
 = 2.5
Akzeptanzfunktion
Häufigkeitsverteilung
0.8
0.1
0.6
0.4
0.05
0.2
0
-20
-15
-10
-5
0
5
Winkelfehler θ [mrad]
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15
0
20
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Motivation
Einwirkungen
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23
2.92
3.08
17
Wind
3.53
100
0°
3.28
20
2.96
45°
Wind
17
3.13
3.83
23
4.31
3.01
5.93
-3.00
-2.43
90°
Wind
135°
-1.59
Wind
0.34
0.59
0.96
1.64
1.83
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-0.91
-0.14
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Betriebszustand
Tragfähigkeitszustand
• Restriktive Verformungsbegrenzung
(ungerissen)
• Ggf. Auslenkung des Kollektors in
Sicherheitsposition unter
Starkwindereignissen
• Maximale Energiegewinnung
• Sonnennachführung unter gemäßigten
Windbedingungen
Wind
Wind
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„EuroTrough“
Kriechen & Schwinden
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Motivation
Demonstrator
solarsolid
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Photogrammetrische Vermessung
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0
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https://www.youtube.com/watch?v=-_UhI2Kvlgg
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Motivation
Offene Rippenstrukturen / Composite
solarsolid
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Hohlkörperstrukturen
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[Blüchel & Malik, 2006]
[www.wissenmitlinks.de]
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Schlussfolgerungen
• Beton ganz anders (ca. 70 bis 200 kg/m²)
• Topologie- und Formoptimierung
• Serienfertigung & Prozessoptimierung
• Gesamtaufwandsreduktion über Bau- und Nutzungszeit
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