Forschungsprojekte

Nichtlineare Tragwerksanalyse unter direkter Anwendung von Energiemethoden

Inhalte des Forschungsschwerpunktes stellen die Entwicklung, Weiterentwicklung sowie Anwendung von Methoden zur Untersuchung des physikalisch und geometrisch nichtlinearen Trag- und Verformungsverhalten von Verbundquerschnitten und Verbundelementen unter statischen, quasi-statischen, dynamischen sowie thermischen Einwirkungen dar.

Lineare und nichtlineare Tragwerksanalyse mit Methoden der mathematischen Optimierung unter Einbeziehung von Sicherheits- und Zuverlässigkeitsbetrachtungen

Ziel ist es, idealisierte Arbeitslinien für biege- und normalkraftbeanspruchte Stahlbetonquerschnitte unter Berücksichtigung nichtlinearen Materialverhaltens des Betons zu modellieren sowie die theoretischen Berechnungsgrundlagen bereitzustellen, welche brauchbare Ergebnisse bei der Nachweisführung im Grenzzustand der Tragfähigkeit wie auch für die Gebrauchstauglichkeit liefern. Ein weiterer Schwerpunkt in diesen Untersuchungen wird dabei der Einfluss lokaler Rissbildung auf Verformungsberechnungen an verschiedenen Tragstrukturen und unter Berücksichtigung modifizierter Belastungsvarianten sein. Dazu zählen auch Untersuchungen des Tragverhaltens zwangsbeanspruchter, insbesondere temperaturbeanspruchter Tragwerke.

Grundlagen der Anwendung elastisch-plastischer Berechnungsmodelle bei der Auslegung seismisch beanspruchter Stahlbetontragwerke unter Berücksichtigung des adaptiven Tragverhaltens

Ziel des Gesamtprojekts, das bereits in den Jahren 1996 und 1997 von der DFG gefördert wurde, ist die Schaffung von Grundlagen zur Anwendung elastisch-plastischer Materialmodelle für die Auslegung von Stahlbetontragwerken unter Ausschluss von Schadensakkumulationen.

Anwendung der mathematischen Optimierung bei der geometrisch und physikalisch nichtlinearen Analyse von Stahlbetonquerschnitten und -tragwerken

Zur wirklichkeitsnahen Beschreibung des Verhaltens von Stahlbetontragwerken finden zunehmend nichtlineare Verfahren Anwendung. Die dominierenden Berechnungsmethoden arbeiten mit einer inkrementellen Steigerung der Belastung und einer beanspruchungsabhängigen Modifikation der Steifigkeiten, wobei jedes Lastinkrement mit zusätzlichen Iterationen verbunden ist. Alternativ dazu können mechanische Probleme auch als Extremalaufgaben formuliert und nach entsprechender Diskretisierung mit Methoden der mathematischen Optimierung gelöst werden.

Bemessungskonzept für seismisch beanspruchte Stahlbetonrahmentragwerke unter Beachtung des adaptiven Tragverhaltens

Mit einer Kombination der Theorie adaptiver Tragwerke mit den Regeln der Kapazitätsbemessung lässt sich ein Bemessungskonzept für seismisch beanspruchte Tragwerke aus Stahlbeton aufstellen. Bei Nutzung der nichtlinearen Optimierung als Lösungsverfahren kann ein universelles Rechenhilfsmittel für Planungsaufgaben geschaffen werden. Die Bandbreite reicht dabei von der Behandlung von Zeitverlaufsproblemen, der erweiterten Kapazitätsbemessung unter Beachtung des adaptiven Tragverhaltens bis hin zur Sicherung der Stabilität von Konstruktionen. Unter Verwendung von kinematischen Formulierungen werden Modelle aufgestellt, die Verformungsgrößen als Designvariablen verwenden, sodass z.B. Grenzdurchbiegungen, -krümmungen oder Duktilitäten direkt als Bemessungskriterien dienen. Geometrisch nichtlineare Effekte können berücksichtigt werden.

Bemessung und Konstruktive Durchbildung von Betonbauteilen mit schlaffer Bewehrung aus glasfaserverstärkten Kunststoffstäben (GFK-Stäbe), Verbund- und Langzeitverhalten

Die Untersuchungen dienen der Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen des Einsatzes von GFK-Stäben als schlaffe Bewehrung im Betonbau mit den Schwerpunkten 1. Erarbeitung eines Bemessungs- und Nachweiskonzeptes für GFK-Stabbewehrte Betonbauteile unter besonderer Berücksichtigung des Grenzzustandes der Gebrauchstauglichkeit, 2. Untersuchungen zum Verbundverhalten von GFK-Stäben und 3. Untersuchungen zum Kriechverhalten von GFK-stabbewehrten Betonbauteilen.

Schubtragfähigkeit von schubbewehrten Bauteilen aus Porenbeton

Die vorliegenden Untersuchungen dienen in erster Linie der Präzisierung des Berechnungsmodells schubbewehrter Bauteile aus Porenbeton. Anhand von Ausziehversuchen an Kleinprüfkörpern soll der Zusammenhang zwischen Bügelverankerungskraft, Verankerungsstabdurchmesser, der seitlichen Betondeckung und dem Längsspannungszustand untersucht werden.

Tragverhalten von kopfbolzenähnlichen Verankerungen in Porenbeton

Es soll experimentell die Tragfähigkeit von Befestigungen in Porenbeton an originalgroßen, unbewehrten Elementen untersucht werden. Dabei ist das Ausbruchverhalten in Randnähe von besonderem Interesse. Durch Bohrungen über die halbe Plattendicke wird über einen Druckkolben mit Lastplatte eine senkrecht zur Elementebene wirkende Last bis zum Versagenseintritt aufgebracht. Tragfähigkeitsbeeinflussende Parameter wie Bohrlochgeometrie und Materialgüte werden vergleichend gegenübergestellt.

Entwicklung und Beurteilung hybrider Strukturen unter Beachtung der Adaptionsfähigkeit des Tragwerks

Als Folge einer Revitalisierung oder Umnutzung von Tragwerken ist die Frage zu klären, inwieweit die aktuelle Beanspruchbarkeits- und Steifigkeitskapazität der neuen Nutzungsanforderung oder den Um- und Anbauten gerecht wird.

Schwerpunkte:

• Windingenieurwesen von Großbrücken (Schrägseilbrücken, Hängebrücken, Bogenbrücken)
• Bauverfahren und Montageberechnung
• Fußgänger-induzierte Schwingungen
• Erdbebenberechnung
• Rolling stock Simulationen
• Messungen und Monitoring von Brückenschwingungen
• Dämpfung von Brückenschwingungen (Dämpfer, Tilger)
• Simulation von Schiffsanprall

Phänomene

• Aerodynamische Instabilitäten (Flattern, Galloping, Divergenz)
• Buffeting (Turbulentes Windfeld)
• Wirbelinduzierte Schwingungen
• Kabelschwingungen

Simulationsmethoden

• Numerische Strömungssimulationen - Computational Fluid Dynamics (Netzfreie Vortex Particle Code VXflow)
• Time and frequency domain wind-structure analysis (A wind in-house software for semi-analytical aerodynamic models)
• Wind-vehicle-structure interaction
• Windkanal-Auswertungen

Weitere Aspekte

• Künstliche Dämpfung (viscoelastisch, Reibdämpfer, Tilger)
• Kabeldämpfung (Dämpfer, Cross Ties)
• Strömungsbeeinflussung / Kontrolle

Eine vollständig dreidimensionale numerische Modellierung der Umströmung von Bauwerken ist bisher wegen des durch die physikalische Komplexität bedingten, extrem hohen Rechen- aufwandes noch nicht möglich. Die hier zu entwickelnde pseudo-dreidimensionale Simulation ist ein numerischer Ansatz, bei dem zweidimensionale Simulationen für mehrere Schnitte des Körpers durchgeführt werden.

Das Projekt befasst sich mit der Entwicklung numerischer Methoden die den Besonderheiten von Windumströmungen um Bauwerken, insbesondere den Charakteristika bei hohen Reynolds-Zahlen, den sehr unterschiedlichen räumlichen Skalenverhältnissen, der Komplexität der Körpergeometrien sowie den Einflüssen möglicher Strukturschwingungen Rechnung tragen sollen.

Numerical simulations of aeroelastic instabilities to optimize the performance of flutter-based electromagnetic energy harvesters

In recent years wireless sensor networks (WSN) have gained increasing interest in structural health monitoring due to the rapid advancements in wireless technologies and low-power electronics. The specialty of wireless systems is their ability to monitor structures and machines continuously without the need for associated installation costs of wiring. However, powering WSN using the traditional limited-life batteries, which need regular replacement, can lead to large maintenance costs, particularly for extensive network systems. Due to the continuous reduction in the power requirements of WSN, which is in many cases in the range of a few milliwatts (mW), self-powering the sensors alternatively using small-scale energy harvesters has gained growing research attention.

Unbemannte Fluggeräte zur Zustandsermittlung von Bauwerken

In diesem Forschungsprojekt sollen wissenschaftliche Fragestellungen im Zusammenhang mit der Anwendung von unbemannten Fluggeräten (UAV-Unmanned Aerial Vehicles) zur Zustandsermittlung von Bauwerken bearbeitet werden. Betrachtet werden hierbei ausschließlich senkrecht startende und landende (VTOL-Vertical Take Off and Landing), elektrisch betriebene unbemannte Fluggeräte mit einem maximalen Gesamtgewicht von bis zu 5kg. Mit diesem Projekt soll ein Beitrag geleistet werden, um das Potential solcher Systeme zur kostengünstigen Inspektion schwer zugänglicher Bauwerksteile zu aktivieren.

Moderne Smartphones und Tablets sind mobile, hoch komplexe Geräte, die mittlerweile über eine erhebliche Rechenleistung und große Speicherkapazitäten verfügen. Darüber hinaus sind sie mit verschiedensten Sensoren ausgestattet und können für die Generierung, Speicherung, Prozessierung, Übertragung und Visualisierung von Monitoringdaten autark, aber auch als zentrale Lese-, Verarbeitungs- und Steuereinheit für externe Mikrocontroller-basierte Sensorhardware genutzt werden.

Catastrophic collapse such as those of the Alfred P. Murrah Federal Building in 1995 and the World Trade Center towers on 11 September 2001 have exposed the vulnerability of our societies to the problem of disproportionate progressive collapse. Such a structural-level problem indicates a situation where a triggering local failure provokes a chain reaction of failures, which results in the collapse of the entire structure or a large part of it, which is disproportionate to the triggering action.

The ship impact on the bridge structure is a rather complicated dynamic procedure, and the time-history impact force affects both the deformation of the ship and the dynamic responses of the bridge structure. The analysis of the time-history impact force of the ship impact is the key aspect of this topic.