Kontrollierte elastische Verformung

Unsere Forschung untersucht das mechanische Verhalten und die kontrollierte elastische Verformung von Plattenstreifen, wobei große elastische Verformungen als formgebende Strategie für Leichtbaukonstruktionen genutzt werden. Wird ein dünner Streifen elastisch verformt, nimmt er auf natürliche Weise eine Form an, die seine elastische Energie minimiert – die sogenannte Elastica. Abweichungen von dieser minimalen Energieform erfordern jedoch zusätzliche Eingriffe, wie z.B. durch die gezielte Veränderung von Materialeigenschaften, um die Verformung in eine gewünschte Zielform zu lenken.

In architektonischen Anwendungen beeinflussen Gestalter die Geometrie hingegen häufig, indem sie die Verformung durch die Interaktion und Kopplung mehrerer Elemente einschränken oder eine gewünschte Form durch mechanische Verbindungen und Hilfskonstruktionen erzwingen. Diese Ansätze führen jedoch oft zu geometrischen Abweichungen von der beabsichtigten Entwurfsform, da zusätzliche innere Eigenspannungen entstehen, die Rückfederungseffekte verursachen, wenn ein elastisches Element gezwungen wird, einem anderen Weg als dem der minimalen elastischen Energie zu folgen.

In unserer Studie gehen wir das inverse Problem der kontrollierten elastischen Verformung an, indem wir die Steifigkeitsverteilung für bestimmte angestrebte Gleichgewichtsmodi verändern. Konkret führen wir neuartige Methoden ein, die Steifigkeitsvariationen in eine Reihe lokaler Schnitte übersetzen, die den Streifen dazu bringen, sich in eine vorher entworfene Form zu verformen. Durch die strategische Einführung dieser Modifikationen wollen wir den Verformungspfad kontrollieren und unerwünschte geometrische Abweichungen abmildern.

Unsere Methodik stützt sich auf numerische Simulationen, um das Verformungsverhalten vorherzusagen und zu optimieren. Durch computergestützte Modellierung und Prototyping untersuchen wir, wie eine vorgegebene Gleichgewichtsform durch lokale Manipulation sowie durch unterschiedliche Steifigkeitsverteilungen und Schnittmuster erreicht werden kann. Diese Forschung trägt zu einem tieferen Verständnis der Steuerung elastischer Verformungen bei und eröffnet neue Möglichkeiten für präzisionsorientierte Entwurfsansätze in Architektur und Bauingenieurwesen.