Forschungsschwerpunkte

Das aeroelastische Verhalten schlanker Strukturen wie z. B. kabelgestützter Brücken mit langer Spannweite muss im Rahmen ihrer Konstruktion unbedingt untersucht werden, da sie bei atmosphärischem Windfluss erhebliche Vibrationen entwickeln können. Die Tendenzen zur Erhöhung der Flexibilität und zur Verringerung der Masse von Strukturen machen solche Probleme deutlicher und die Analyse schwieriger, wodurch der Bedarf an genauen, robusten und effizienten Vorhersagemodellen zunimmt.

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Der am Lehrstuhl entwickelte Strömungs-Lösungsalgorithmus auf Basis der Vortex-Partikelmethode (VPM) wurde für die 2D- und Pseudo-3D-FSI-Simulation dünnwandiger Systeme erweitert. Ein Struktur-Lösungsalgorithmus, der auf einer korotationalen Finite-Elemente-Formulierung basiert, wird mit 2D-VPM gekoppelt, um geometrisch nichtlineare Effekte zu berücksichtigen. Dieses Modell wird weiter ausgebaut, um eine aeroelektromechanisch gekoppelte Simulation zur Analyse der Leistung verschiedener Kragarm-Energy-Harvester durchzuführen. Darüber hinaus wird das vorhandene Pseudo-3D-Mehrschichtmodell erweitert, um die FSI-Simulation dünner Oberflächensysteme wie Kragdächer und Kühltürme zu simulieren.

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Als Teil dieses Projekts werden mehrere Forschungsschwerpunkte betrachtet, darunter: (i) ein kategorialer Modellierungsansatz für die Bewertung von aerodynamischen Modellen; (ii) turbulente Pseudo-3D-Wirbelmethode für Buffeting- und Flatteranalysen von Brücken; (iii) ein synergistischer Vergleichsrahmen für CFD- und semi-analytische Modelle; (iv) Vergleichsmetriken für Zeitverläufe, die darauf zugeschnitten sind, Merkmale bestimmter Merkmale der zeitabhängigen aeroelastischen Reaktion und Kräfte zu identifizieren und zu quantifizieren; (v) ein Verfahren zur Bestimmung der komplexen Form der aerodynamischen Admittanz durch Simulation deterministischer Böen.

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Um dem zunehmenden Bedürfnis die Nichtlinearität bei schlanken Brückentragwerken unter Windströmungen nachzukommen, werden stetig neue, moderne Modelle und Methoden entwickelt. Diese müssen jedoch validiert werden. Der beste Weg, um dies zu erreichen, ist die Umsetzung experimenteller Verfahren, mit denen die vorgeschlagenen Ansätze überprüft werden können.

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Flexible, schlanke und hohe Tragwerke, wie Hochhäuser, Brücken oder Schornsteine reagieren empfindlich auf dynamische Winderregungen, wodurch Schadens- oder Ermüdungserscheinungen auftreten können. Für viele dieser Tragwerke ist die Bereitstellung einer zusätzlichen Dämpfung die einzige zuferlässige und praktische Methode zur Steuerung des dynamischen Verhaltens. Aufgrund ihres geringen Wartungsaufwandes sind Fluid-Dämpfer ein Forschungsgebiet mit großem Anwendungspotential. Die Forschungsarbeit zielt darauf ab, die numerische Kopplung von Fluid-Behältern in windbeanspruchten Tragwerken zu ergründen.

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Bauwerke können während ihrer Lebensdauer extremen Einwirkungen ausgesetzt sein, die von Erdbeben über Explosionen bis hin zu schweren Anpralllasten durch Land-, See- und Luftfahrzeuge reichen können. Die sich daraus ergebenden Anforderungen an die Bemessung bzw. den Nachweis der Bauwerke übersteigen dabei i. d. R. die Anforderungen aus der herkömmlichen Nutzung. Dabei müssen mögliche Mechanismen in betracht gezogen werden, die das Tragwerksverhalten während eines extremen Lastszenarios positiv oder negativ beeinflussen.

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Mithilfe mathematischer Optimierungsstrategien können vielfältigste Problemstellungen im Kontext der physikalisch und/oder geometrisch nichtlinearen Tragwerksanalyse gelöst werden. Neben der allgemeinen nichtlinearen Simulation last- und zwangsbeanspruchter Tragwerke, die auch durch eine Vielzahl kommerzieller und nicht kommerzieller Finite-Element-Implementierung unterstützt wird, erlaubt der Einsatz der mathematischen Optimierung die numerische Lösung von Extremwertaufgaben mit verschiedensten Zielwerten.

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Das Anprallverhalten des Schiffes wird anhand der komplexen Modelle unter Berücksichtigung wichtiger Faktoren wie Schiffsmasse, Aufprallgeschwindigkeit, Aufprallwinkel, Pfeilerform und Pfeilergröße eingehend untersucht. Um die numerischen Kosten zu senken, wurde ein nichtlineares Massenfedermodell (MSM) als Ersatz für das komplexe Finite-Elemente-Schiffsmodell entwickelt.

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Für die Sicherung und Instandhaltung von Bauwerken ist die Bestandsbewertung ein wesentlicher Baustein. Moderne technologien, wie die Aufnahme von Bildern mithilfe von unbemannten Fluggeräten und photogrammetrische Rekonstruktionen, können die nötigen Inspektionsaufgaben unterstützen. Eine automatisierte Analyse und Verarbeitung der aufgenommenen Daten ermöglicht eine effektive Zustandebewertung untersuchter Bauwerke. Der Forschungsschwerpunkt beschäftigt sich mit der Nutzung geometrischer Merkmale zur Anpassung von Berechnungsmodellen, Verknüpfung von Bauwerksinformationen und Identifikation mechanischer Eigenschaften.

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Im Rahmen des Structural Health Monitoring (SHM) können schwingungsbasierte Methoden verwendet werden, um den aktuellen Zustand einer Struktur zu bestimmen. Dabei werden Änderungen des strukturellen Zustands durch die Änderung dynamischer Eigenschaften identifiziert. Gemessene Strukturantworten können verwendet werden um numerische Modelle zu kalibrieren und den strukturellen Zustand mithilfe von Systemidentifikation zu ermitteln. Die Forschung in diesem Bereich zielt darauf ab, Struktureigenschaften und Schäden unter Berücksichtigung der Eigenschaften der verwendeten Sensoren und des Datenerfassungssystems zu identifizieren.

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Für Bauwerke im Infrastrukturbereich, wie auch bei historischen Bauwerken, hat die Sicherstellung von Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit oberste Priorität. Bauwerke unterliegen verschiedenen Alterungs- und Schädigungsprozessen die nur relativ ungenau prognostiziert werden können. Daher ist eine regelmäßige Erfassung und Bewertung des Bauwerkszustandes erforderlich. Als Alternative zur klassischen visuellen Inspektion ist die Nutzung kleiner unbemannter Flugsysteme (UAS - Unmanned Aircraft Systems) in den Fokus gerückt. Diese Systeme, ausgestattet mit hochwertigen Kameras, qualifizieren sich für vielfältige Inspektionsaufgaben. In verschiedenen Forschungsprojekten werden mögliche Anwendungen von UAS bei der Inspektion von Bauwerken als Teil einer digitalen Instandhaltungsstrategie untersucht.

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