Strategien für den robusten Entwurf von Tragwerken

Dieses Projekt wird durch die Richtlinienförderung des Thüringer Ministeriums für Bildung, Wissenschaft und Kultur unterstützt.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke
Projektbearbeiter
: Michael Schwedler, M.Sc.
Förderungszeitraum
: 01.10.2009 - 31.03.2012

Projektbeschreibung

Bei der Planung von konstruktiven Ingenieurbauwerken sind komplexe Zielkriterien in einem ganzheitlichen Entwurf zusammen zu führen. Insbesondere sind Funktionalität, Tragsicherheit, Dauerhaftigkeit, Nachhaltigkeit und Gebrauchstauglichkeit zu berücksichtigen. Ein gelungener Entwurf erfüllt jedoch nicht nur die gesetzten Ziele und die gegebenen Randbedingungen in optimaler Weise, sondern er ist zudem robust gegenüber Störungen der Eingangsdaten sowie Unsicherheiten der Modellabstrahierung.

Gegenstand der Forschungsarbeit sind grundlegende neuartige Konzepte, Modelle und Methoden für visuell orientierte Entwurfs- und Simulationsumgebungen, welche besser als bisher das Erstellen von robusten Entwürfen unter Beachtung der Zielkriterien unterstützen. Um dies zu erreichen, arbeiten sechs Wissenschaftler der Fakultäten Bauingenieurwesen und Medien in drei Projektgruppen interdisziplinär zusammen:

  • Die erste Gruppe, welche von Mitarbeitern des Instituts für Strukturmechanik (ISM) und der Professur Informatik im Bauwesen gebildet wird, beschäftigt sich - anhand des Beispiels von Brückenbauwerken - mit neuen Strategien für den robusten Entwurf.
  • In einer zweiten Gruppe wird untersucht, wie verschiedene Modelle und Modellebenen adaptiv und nachvollziehbar gekoppelt werden können, um die aufgestellten Robustheitsstrategien auf gesamtheitliche Simulationen anwenden zu können.
  • Von der dritten Projektgruppe werden die Simulationsergebnisse mittels innovativer Techniken visualisiert. Erst die konsequente visuelle Aufbereitung der Simulationsergebnisse erlaubt eine sichere Bewertung der Analyseergebnisse und stellt somit einen wesentlichen Beitrag zur Bewertung eines Entwurfs dar.

Im Rahmen des beschriebenen Projektkontexts wird am ISM untersucht, ob - anders als gegenwärtig üblich - mit der Verwendung eines einzigen geometrischen Modells für die Entwicklung des Entwurfs in einem CAD-System und für die numerische Analyse des Entwurfs in einer FEM-Applikation ein Robustheitsgewinn zu erzielen ist. Voraussetzung dafür ist eine Geometriebeschreibung, welche sowohl im Bereich des CAD als auch der FEM verwendet werden kann. Der verfolgte Lösungsansatz basiert auf NURBS (non-uniform rational b-splines), welche im Computergrafikbereich bereits vor vielen Jahren zu einem Standard geworden sind, für numerische Berechnungen aber erst seit einiger Zeit verwendet werden und hier bisher nicht in kommerziellen Programmen zum Einsatz kommen.

Ein abgewinkeltes Rohr, modelliert durch ein dreidimensionales NURBS-Objekt zweiten Grades. Links mit Darstellung des Kontollgitters und der Kontrolpounkte, rechts das Ergebnis einer FE-Analyse. Ein Vorteil in der Verwendung von NURBS begründet sich in der Möglichkeit, beliebige Freiformflächen ebenso wie analytische Standardformen auf einer einheitlichen mathematischen Grundlage zu beschreiben und zu analysieren.

opsView – ein graphisches user interface für isogeometrische Berechnungen

opsView - ein graphisches user interface zur Demonstration von FE-Berechnungen, die auf volumetrischen NURBS Geometriebschreibungen basieren und somit ohne Vernetzung auskommen. Die Geometriedaten werden per Datei im xml-Format geladen. Nachdem Lagerungen, Lasten und Materialparameter im Programm festgelegt wurden, kann das System berechnet und die Ergebnisse visualisiert werden.