Referenzobjekte

Die Untersuchungen bzw. deren Ergebnisse an Partialmodellen und -modellkopplungen auf unterschiedlichsten Forschungsgebieten werden an synthetischen Referenzobjekten zusammengeführt und verifiziert. Dazu werden drei Referenzobjekte eingeführt, die im Laufe der Bearbeitung von einfachen Partialmodellen zu möglichst komplexen Globalmodellen entwickelt, vervollkommnet und in ihrer Aussagefähigkeit auch auf unterschiedlichsten Levels getestet werden.

I - Turmtragwerk
Verantwortlicher: Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

Ein Turmtragwerk eignet sich in hervorragender Weise, um unterschiedliche Modellierungs- bzw. Abstraktionsniveaus für die Partialmodelle des Tragwerks, der Einwirkungen, des Baugrunds usw. und deren Kopplungen zu demonstrieren. Weiterhin gelingt es hier, lokale Probleme zu definieren, wie lokales Beulen der Turmschale, sei es in Stahlbeton oder in Stahl, wie die Gestaltung von Verbindungselementen zwischen einzelnen Turmschüssen, wie die Anbringung von Aussichtsplattformen, Antennen oder ähnlichen zusätzlichen Tragwerkssystemen, wie Probleme der Vorspannung usw.

Damit kann in übersichtlicher Weise die Entwicklung der eingesetzten Partialmodelle entsprechend der gegebenen Problemcharakteristik erprobt und dargestellt werden. Die Partialmodelle durchlaufen alle Entwicklungsstadien, von einfachen Stabwerksmodellen bis hin zu komplexen numerischen Modellen. Die Kopplung der unterschiedlichen Partialmodelle (Einwirkungen, Boden, Konstruktion aus Stahl/Beton, etc.) wird innerhalb und zwischen den unterschiedlichen Levels analysiert.

II - Brückentragwerk
Verantwortlicher:  Prof. U. Freundt

Brückentragwerke existieren in den unterschiedlichsten Ausprägungsformen, von der einfachen Balkenbrücke bis zum weit gespannten Seiltragwerk. Damit ermöglicht diese Tragwerksform ebenfalls eine Behandlung unterschiedlichster Partialmodell-Levels und der damit verbundenen Interaktionen von Partialmodellen, wie Baugrund, Einwirkungen, Material usw. Die heute üblichen Brückensysteme sind darüber hinaus interessant, da es sich sehr häufig um Kombinationen aus den Baustoffen Stahl und Stahlbeton handelt. Die Belastungsprozesse lassen sich sowohl als deterministisch definierte Lasten als auch Lastprozesse darstellen.

Interessant ist die Verbindung dieser Tragsysteme mit vertikalen Elementen, d. h. z. B. schlanken Pfeilern, wo eine Interaktion zwischen horizontalen und vertikalen Tragwirkungen berücksichtig werden muss und der Einfluss geometrischer Nichtlinearität eine wesentliche Rolle spielt. Verstärkt werden die Probleme der Nichtlinearität hier durch die Wirkung von Lagerelementen.

III - Ein- bzw. mehrgeschossiges Skeletttragwerk
Verantwortlicher: Dr. J. Schwarz

Dieser Tragwerkstyp stellt ein wichtiges Anwendungsgebiet der Bauingenieurwissenschaften dar. Hier lassen sich wesentliche Probleme der Interaktion zwischen Bauwerk und Baugrund, Einwirkungen, Aussteifungssysteme usw. beispielhaft untersuchen. Interessant sind hier auch Effekte aus räumlich verteilten Einwirkungen, da diese Bauwerke große Außenflächen aufweisen können und der stochastische Charakter z. B.  von Windeinwirkungen einen wesentlichen Einfluss auf die Ausbildung des Tragsystems hat. Die praktisch anzuwendenden normenbasierten Einwirkungen sind für diese Tragwerke an vielen Stellen nicht realitätsnah.

Signifikante Aussagen zur Tragwirkung und Tragfähigkeit werden bei Untersuchungen zu Erdbebeneinwirkungen gewonnen. Hier existieren Analyse- und Synthesemethoden auf unterschiedlichem Niveau, die zu differenzierten Ergebnissen führen und die eine spezifische Kopplung von Partialmodellen erfordern.

Referenzobjekt: Turm

Anemometer auf Turmspitze
Erste fünf Eigenformen des numerischen Turmmodells
Messkasten des Monitoringsystems

Bauingenieure beschäftigen sich meist mit Bauwerken, die aus Beton, Stahlbeton und Stahl bestehen. Allerdings ist es zumindest für Ingenieurbauwerke nicht oft der Fall, solche zu finden bei denen das Verhalten der einzelnen Materialien separat betrachtet werden kann. Aus diesem Grund wurde ein Fernmeldeturm, welcher aus Stahlbeton, Stahl und Glasfaser besteht, ausgewählt, da er ein geeignetes Referenzobjekt innerhalb des Rahmens des GRKs darstellt.

Bevor jedoch eine experimentelle Untersuchung durchgeführt wird, ist es sinnvoll den Versuchsaufbau sorgfältig zu überlegen. Das Ziel ist es, ein optimales Messkonzept anhand von mathematischen oder ingenieurtechnischen Methoden zu erstellen [1]. Die berechneten optimalen Aufbauten werden mit Hilfe von numerischen Modellen verifiziert und anhand eines Monitorings der vorhandenen Struktur validiert.

Einer der wichtigsten Lastfälle im Kontext von Turmstrukturen ist typischerweise Wind. In vielen Fällen müssen schlanke Strukturen so analysiert werden, dass das dynamische Verhalten der Turmstruktur abgebildet werden kann. Deswegen beziehen sich die Untersuchungen der Forschungsgruppe hauptsächlich auf die dynamische Antwort der Struktur gegenüber verschiedenen Lastfällen unter Einbeziehung veränderlicher Umweltbedingungen.

Ausgangspunkt der Untersuchungen waren numerische Simulationen bei denen die dynamische Antwort unter Wind mit verschiedenen Schadensausprägungen modelliert wurde [2]. Bei diesen Simulationen, die die Entwicklung und Kombination verschiedener Partialmodelle (Windlast und angenommener Schaden) für die Beschreibung der Struktur beinhalteten, wurde ein Konzept zur Schadenserkennung, das auf der Grundlage von Vibrationsmessungen beruht, angewandt. Die Verbesserung der verwendeten Methoden ist Bestandteil der andauernden Forschungstätigkeiten.

Zur Validierung der theoretischen Konzepte, die numerisch implementiert wurden, sind experimentelle Untersuchungen nötig. Im Jahr 2014 wurde eine Kurzzeitmessung durchgeführt, um einen ersten Eindruck von den modalen Parametern des Turmes zu erhalten. Darauf aufbauend wurde der Messaufbau für das Langzeitmonitoring, welches 2015 installiert wurde, entwickelt.

Kollegiaten, die im Referenzobjekt Turm arbeiten: Tajammal Abbas, Sharmistha Chowdhury, Kosmas Dragos, Shahram Ghorashi, Ina Reichert, Maria Steiner

Verantwortlicher Betreuer: Dr.-Ing. Volkmar Zabel

 

Quellen

[1] Lahmer, T.: Konzepte der optimalen Versuchsplanung für das Monitoring von Bauwerken, Allgemeine Vermessungs-Nachrichten, 3/2011, Wichmann-Verlag

[2] Deeb, M., Abbas, T., Ghorashi, S., Stade, I., Wudtke, I. and Zabel, V.: Modellbasierte Schadensidentifikation an Turmbauwerken, Bautechnik Sonderdruck “Modellqualitäten”, pp. 82-89, 2013