Forschungsprojekte
Digitale Technologien für Handwerk und Kulturgut - Bauhaus HeriTech -
Thüringen und Deutschland verfügen mit ihren Denkmälern über ein kulturelles Erbe, das einerseits für unsere kulturelle Identität, andererseits auch für den Tourismus von unschätzbarem Wert ist. Unter dem Begriff der Revitalisierung zusammengefasst, stellen die Erhaltung, denkmalgerechte Sanierung und die Ertüchtigung historischer Bauwerke und Baudenkmale eine enorme wirtschaftliche sowie technische Herausforderung dar, für deren Bewältigung vielfältige maßgeschneiderte Lösungen erforderlich sind. Dabei erstrecken sich Kulturgüter über reich verzierte Kirchen, Schlösser, Burgen und Türme über Stätten der Klassischen Moderne und des Bauhauses bis hin zu Industriedenkmalen wie großen Hallen, Windmühlen oder Brücken.
ReSKoMB - Tools für die Verlängerung der Restnutzungsdauer von spannungsrisskorrosionsgefährdeten Massivbrücken
Ein wesentlicher Bestandteil der Strategie zur Erhaltung der Verkehrsinfrastrukturen in Deutschland ist die Verlängerung der Restnutzungsdauer von Brücken, die die Anforderungen an die Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit mit ausreichender Zuverlässigkeit erfüllen. Zur Umsetzung dieser Strategie wird das Forschungsvorhaben ReSKoMB durch experimentelle Untersuchungen und durch Nutzung moderner digitaler Technologien einen konkreten Beitrag leisten. Das Gesamtziel des Vorhabens ist es, Tools zur Ermöglichung einer Verlängerung der Restnutzungsdauer von bestehenden spannungsrisskorrosionsgefährdeten Massivbrücken zu entwickeln und zu demonstrieren.
Fortgeschrittene gekoppelte numerische Modelle für aeroelastische Wechselwirkungen von dünnwandigen Strukturen
Ziel des Projekts ist die Entwicklung gekoppelter numerischer Modelle für die Analyse aeroelastischer Interaktionen dünnwandiger flexibler Strukturen mit deutlich verbesserter Recheneffizienz und quantifizierter Vorhersagequalität. Es werden datengetriebene aerodynamische Prognosemodelle basierend auf Methoden des maschinellen Lernens (ML) für ausgewählte dünnwandige Systeme formuliert und mit einer geometrisch nichtlinearen Finite-Elemente-Formulierung gekoppelt, um partitionierte FSI-Modelle zu entwickeln. Bei hoher Prognosegenauigkeit wird dies die Rechenzeit von FSI-Simulationen drastisch reduzieren. Trainingsdaten von aerodynamischen Kräften an dünnwandigen Systemen für verschiedene Anströmungsbedingungen müssen die Effekte von bewegungsinduzierten Kräften und Wirbelablösungen beinhalten, die daher aus hochauflösenden Strömungsanalysen mit Hilfe von Wirbelpartikelmethoden (VPM) gewonnen werden.
Forschergruppe »Digital Engineering für Planungs- und Revitalisierungsprozesse von Stadtquartieren«
Mithilfe computergestützter Verfahren soll die Planung von Neubau- und Sanierungsmaßnahmen in Städten optimiert werden. Die Forschergruppe setzte dabei auf einen interdisziplinären Ansatz und fortschrittliche Technologien wie die drohnengestützte Erfassung der Geometrie von Bestandsbauten, die Erkennung von Bauwerksschäden mittels automatischer Bildanalyse (Computer Vision), die energetische Bewertung von Gebäuden mit Hilfe von Thermographie (Bauphysik), das sensorbasierte Monitoring von Kennwerten und die konsistente Speicherung aller anfallenden Daten in Building Information Modeling (BIM). Forschungsarbeiten im Bereich Sensornetze wurden vom Institut für Mikroelektronik- und Mechatroniksysteme (IMMS) aus Ilmenau durchgeführt.
Förderzeitraum: 11/2016 - 02/2019
Förderer: Freistaat Thüringen und Europäischer Sozialfond (ESF)
Kontakt: guido.morgenthal[at]uni-weimar.de
Effizientes Bauwerksmonitoring mit MEMS-Neigungssensoren und Mikrocontrollern
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden hochgenaue, auf der MEMS-Technologie basierende, Neigungssensoren und moderne Einplatinen-Computer genutzt, um lokale Verdrehungen von Tragwerken zu messen, das Systemverhalten zu überwachen sowie kritische Beanspruchungszustände zu detektieren. Der Einsatz solcher kostengünstigen Messsysteme ermöglicht die wirtschaftliche Überwachung von Bauwerken zur Gewährleistung einer dauerhaft sicheren Nutzung. Zunächst wurden dazu umfangreiche Laboruntersuchungen durchgeführt, um die effektive Auflösung sowie die erreichbare Datenqualität der Sensoren zu quantifizieren. Für den Einsatz am Bauwerk wurden die Sensoren in geeignete Gehäuse integriert und der Einfluss der Kapselung untersucht. Zur Erfassung, Verarbeitung und Auswertung, Zwischenspeicherung und Übertragung der Messdaten wurde ein prototypisches Messsystem auf Basis eines Raspberry Pis und zugehörigem modularen Software-Framework in mehreren Ausbaustufen entwickelt. Das Zusammenwirken von Messsystem und Sensorik wurde in mehreren Kurz- und Langzeitmessungen erfolgreich getestet. Um die Praxistauglichkeit nachzuweisen wurden die Neigungen eines Dachtragwerks und die Schiefstellung eines Turmes mithilfe des entwickelten Systems erfasst. Das Anwendungspotential aber auch die Grenzen des Monitoringsystems konnten dabei aufgezeigt werden.
Förderzeitraum: 10/2015 - 11/2017
Förderer: Forschungsinitiative ZukunftBau
Kontakt: guido.morgenthal[at]uni-weimar.de
Abschlussbericht
Unbemannte Fluggeräte zur Zustandsermittlung von Bauwerken - Fortsetzungsantrag
Im Rahmen des Vorgängerprojektes "UAV zur Zustandsermittlung von Bauwerken" (SWD-10.08.18.7-13.05) wurden wissenschaftliche Fragestellungen im Zusammenhang mit der Anwendung von UAS in Bauwerksnähe bearbeitet. Ziel dieses Fortsetzungsprojektes war die Optimierung der Fluggerätenavigation zur zielgerichteten, hocheffizienten und reproduzierbaren Generierung foto- und thermografischer Aufnahmen mit UAS für die Bewertung des Bauwerkszustandes. Des Weiteren wurden Fragestellungen zu erweiterten Anwendungsszenarien zerstörungsfreier Prüfmethoden, hier Gebäudethermographie, und zur Weiterverwendung
der UAS-basierten Bauwerksdaten in BIM-Softwaretools bearbeitet. Es wurden neue Methoden und Algorithmen für die automatisierte Berechnung von bauwerksbezogenen Flugrouten für UAS, für die Co-Registrierung von RGB- und Thermographiebildern, deren Weiterverwendung in bestehenden BIM-Softwaretool und anderen Simulationstools für die thermisch-energetische Gebäudesimulation sowie für die kontextbezogene Speicherung UAS-basierter Bauwerksdaten entwickelt, prototypisch implementiert und getestet. Es wurde eine Methode für die Berechnung georeferenzierter Flugrouten für UAS auf Basis vorhandener Bauwerksinformationsmodelle (BIM) oder grober 3D-Bauwerksmodelle entwickelt und prototypisch in einer Software implementiert, die eine vollständige Erfassung des Bauwerks garantiert. Die UAS-basierte Zustandserfassung kann unter Nutzung weiterer innovativer Methoden und Technologien aus den Bereichen Computer Vision, virtueller Realität oder künstlicher Intelligenz einen wichtigen Baustein in der digitalen Kette der Bauwerkserhaltung bilden. Jedoch besteht insbesondere auf Seiten der Datenauswertung und kontextbezogenen Datenmodellierung weiterer Forrschungsbedarf.
Förderzeitraum: 01/2017 - 06/2018
Projektträger: Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung -BBR-, Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung -BBSR-, Forschungsinitiative 'Zukunft Bau'
Kontakt: norman.hallermann[at]uni-weimar.de
Unbemannte Fluggeräte zur Zustandsermittlung von Bauwerken
In diesem Forschungsprojekt wurden wissenschaftliche Fragestellungen im Zusammenhang mit der Anwendung von UAV zur Zustandsermittlung von Bauwerken bearbeitet. Anhand konkreter Untersuchungen an ausgewählten Referenzobjekten sollte das Potential solcher Geräte zur kostengünstigen Inspektion von Bauwerken aktiviert werden. Schwerpunkt war die Bewertung der Qualität der Bild- und Videodaten zur Identifizierung typischer Bauwerksschäden und der weiteren Verwendbarkeit.
Förderzeitraum: 06/2013 - 04/2015
Projektträger: Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung -BBR-, Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung -BBSR-, Forschungsinitiative 'Zukunft Bau'
Kontakt: norman.hallermann[at]uni-weimar.de
Pseudo-dreidimensionales Verfahren zur numerischen Simulation der Schwingungserregung linienförmiger Bauwerke durch realen Wind
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde eine neuartige numerische Methode zur Analyse von Anströmkörpern bei hohen Reynolds-Zahlen entwickelt. Die Methode ermöglicht pseudo-dreidimensionale Simulationen von Fluid-Struktur-Wechselwirkungsphänomenen linienförmiger Strukturen unter dem Einfluss einströmender Turbulenzen. Das Verfahren basiert auf der Vortex-Partikelmethode (VPM) und weist eine hohe Recheneffizienz auf, die es für die Analyse zahlreicher Probleme in der Windtechnik anwendbar macht.
Förderzeitraum: 2013 - 2017
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Kontakt: guido.morgenthal[at]uni-weimar.de
Adaptives Verfahren zur effizienten numerischen Simulation mehr-skaliger Phänomene bei der Windumströmung von Bauwerken
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden Methoden zur effizienten numerischen Simulation von Windströmungen um Bauwerke entwickelt. Sie sollen den Besonderheiten solcher Strömungen, insbesondere den Charakteristika bei hohen Reynolds-Zahlen, den sehr unterschiedlichen räumlichen Skalenverhältnisse, der Komplexität der Körpergeometrien sowie den Einflüssen möglicher Strukturschwingungen Rechnung tragen.
Förderzeitraum: 2012 - 2016
Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Kontakt: guido.morgenthal[at]uni-weimar.de
Bewertung alternder Infrastrukturbauwerke mit digitalen Technologien (AISTEC) - BMBF
Die Zuverlässigkeit der Verkehrsinfrastrukturen ist ein wesentlicher Faktor für die Leistungsfähigkeit des Wirtschaftsstandortes Deutschland. Brücken stellen in den Verkehrsnetzen kritische Elemente dar, die dauerhaft hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Deren Inspektion wird derzeit durch Fachleute vor Ort vorgenommen. Schwerwiegende Probleme an Autobahnbrücken haben in jüngster Zeit vor Augen geführt, wie wichtig es ist, Alterungsschäden frühzeitig zu erkennen, um Erhaltungsmaßnahmen durchführen zu können, bevor es zu spät ist.
Projektdatenblatt | Projektwebsite
Förderzeitraum: 09/2018 – 08/2021
Förderer: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Kontakt: guido.morgenthal[at]uni-weimar.de
Regionale Wachstumskern-Initiative »smood« - smart neighborhood
Bestandsquartiere sollen von »smood« mit hohem lokalen Selbstversorgungsgrad erneuerbarer Energien energetisch und warmmieten-neutral umgebaut werden. Die Experten von »smood« führen dabei neu entwickelte Technologien zur Energiegewinnung und -speicherung mit etablierten Techniken wie Photovoltaik, Solarthermie oder Geothermie zu einem optimierten System zusammen. Die Professuren Modellierung und Simulation - Konstruktion (Prof. Dr. Guido Morgenthal), Bauphysik (Prof. Dr. Conrad Völker) und Computer Vision in Engineering (Prof. Dr. Volker Rodehorst) an der Bauhaus-Universität Weimar arbeiten gemeinsam an dem Teilprojekt »smood PLAN - Quartiersbezogene Datenaufnahme und -prozessierung«.
Projektdatenblatt | Projektwebsite
Förderzeitraum: 07/2019 – 06/2022
Förderer: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Kontakt: guido.morgenthal[at]uni-weimar.de
Energetische Quartiersanierung zur Reduktion der CO2-Emissionen (Bauhaus 2050+) - BUW
Thermisch-energetisches Optimierungspotential bieten gerade Gebäude, die aufgrund ihrer Nutzung, ihrer verbleibenden Lebensdauer oder ihres baukulturellen Wertes nicht oder nur begrenzt hinsichtlich ihrer Energieeffizienz gesteigert werden können. Durch die Erweiterung des Betrachtungsperimeters vom Einzelgebäude zum Stadtquartier kann die CO2-Bilanz im Cluster bewertet werden, sodass nicht die Energieeffizienz eines einzelnen Gebäudes, sondern die gemeinsamen Bestrebungen um eine Reduktion der CO2-Emissionen entscheidend sind. Der Campus der Bauhaus-Universität Weimar eignet sich aufgrund seiner Verteilung über mehrere Stadtteile und des historischen Gebäudebestands hervorragend als exemplarische Fallstudie. Die Betrachtungen beinhalten Potentiale der Gebäudehülle und (urbanen) Energiesystemen, Vorteile der Funktionsmischung sowie die Integration denkmalgeschützten Bestands in Konzepte für nachhaltige Stadtentwicklung mit Unterstützung drohnenbasierter Bauwerksaufnahmen.
Projektdatenblatt
Förderzeitraum: 07/2018 - 06/2021
Förderer: Bauhaus-Universität Weimar
Kontakt: guido.morgenthal[at]uni-weimar.de
Auswirkungen des Klimawandels auf Gebäude und Quartiere – Strukturelle Integrität, Raumklima und Energieeffizienz (TAB)
Die Erderwärmung und die damit verbundenen Veränderungen im Klimasystem erhöhen das Risiko schädlicher Folgen für die Sicherheit und Widerstandsfähigkeit der gebauten Umwelt. Nachhaltige bauliche Anpassungen an den Klimawandel durch ingenieurtechnische Maßnahmen können zu einer Verringerung der Verletzbarkeit von Bauwerken und deren Exposition gegenüber klimatischer Veränderungen führen. An diesem Projekt sind mehrere Professuren der Bauhaus-Universität Weimar beteiligt, um gemeinsam eine Strategie zur Bewertung der Modelle des Klimawandels und ihrer Folgen für die strukturelle Sicherheit und das Raumklima durch Erforschung bestimmter Referenzobjekte zu analysieren.
Förderzeitraum: 01/2020 - 06/2022
Förderer: Freistaat Thüringen und Europäischer Sozialfonds (ESF)
Kontakt: guido.morgenthal[at]uni-weimar.de
Optimierung winderregter Tragstrukturen unter Berücksichtigung stochastischer Einwirkungen und verschiedenartiger Grenzzustände - DFG
Das grundlegende Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer allgemein gültigen Methodik, durch die es möglich wird, die Kräfte in Tragwerken aufgrund komplexer dynamischer windinduzierter Phänomene zu bewerten. Dies erfolgt mittels Simulationen unter Berücksichtigung definierter Grenzzustände und durch Optimierung der Strukturen auf der Grundlage wahrscheinlichkeitstheoretischer Betrachtungen.
Projektdatenblatt
Förderzeitraum: 09/2017 - 11/2020
Förderer: Bauhaus-Universität Weimar
Kontakt: guido.morgenthal[at]uni-weimar.de
Aerodynamische Instabilitäten dünnwandiger Strukturen zur Nutzung bei neuartigen Energy Harvestern - DFG
In den letzten Jahren ist die Ausnutzung des instabilen Verhaltens dünnwandiger Strukturen aufgrund aeroelastischer Instabilitäten ein praktischer Ansatz für die Energiegewinnung im kleinen Maßstab. Ziel ist es, drahtlose Sensornetzwerke, tragbare und drahtlose elektronische Geräte mit nachhaltigem Ökostrom zu versorgen, insbesondere solche, von denen ein langer Betrieb ohne menschliches Eingreifen erwartet wird.
Projektdatenblatt
Förderzeitraum: 01/2018 - 12/2021
Förderer: Bauhaus-Universität Weimar
Kontakt: guido.morgenthal[at]uni-weimar.de