Optimierung winderregter Tragstrukturen unter Berücksichtigung stochastischer Einwirkungen und verschiedenartiger Grenzzustände

• Antragsteller: Professor Dr. Tom Lahmer; Professor Dr. Guido Morgenthal
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329120866

Bauwerke sind durch den Einfluss der atmosphärischen Grenzschicht komplexen Windeinwirkungen ausgesetzt. Insbesondere bei schlanken Bauwerken wie Brücken, Masten und Türmen kann die Interaktion der umströmenden Luft mit der Struktur zur Induzierung erheblicher Schwingungen führen. Dabei spielen vielfältige Erregungsmechanismen eine Rolle, wobei Wirbelerregung, Böenerregung und Flattern von besonderer praktischer Relevanz sind.Das aerodynamische Verhalten eines Bauwerkes wird insbesondere durch seine Geometrie beeinflusst, was die Nutzung Form-bezogener Optimierungsalgorithmen in Verbindung mit effizienten numerischen Simulationsmethoden der Strömungsmechanik sinnvoll erscheinen lässt, um die Windanfälligkeit zu verringern. Die Auswahl von maßgebenden Grenzzuständen und die stochastische Beschreibung wesentlicher Parameter auf Einwirkungs- und Widerstands-Seite erlauben dabei eine zuverlässigkeitstheoretische Beurteilung der Tragwerksreaktion als Zielfunktion der Optimierung.In diesem Forschungsprojekt soll ein Methodengerüst entwickelt werden, das die robuste Optimierung des Bauwerksverhaltens unter vollständiger Berücksichtigung der Stochastik des natürlichen Windfeldes in Bezug auf verschiedene Grenzzustände erlaubt. Dazu werden vorhandene Simulationsmethoden auf Basis pseudo-dreidimensionaler Vortex-Partikel-Methoden, welche die Abbildung turbulenter Anströmung sowie einer Fluid-Struktur-Kopplung erlauben, so angepasst, dass eine rechentechnisch effiziente Behandlung der betrachteten Effekte möglich wird. Insbesondere sind die stochastischen Parameter des Windfeldes abzubilden, die Strukturantwort in Bezug auf die Grenzzustände auszuwerten und die Simulationen parallelisiert in die Optimierungsprozedur einzubinden. Zusätzlich werden existierende Modelle zur Phänomen-bezogenen Betrachtung der Erregung wie zum Beispiel quasi-statische aerodynamsiche Koeffizienten und Kraftamplituden der Wirbelbildung, Strouhal-Zahl, Scanlan Derivativa und Admittanz benutzt, um eine Eingrenzung des Suchraumes zu ermöglichen und damit die Effizienz der Optimierung zu erhöhen. Des weiteren kann hierdurch eine Entkopplung der Modellierung von strömungs- und strukturdynamischen Effekten erfolgen.Zur Validierung und Interpretation der Simulations- und Optimierungsergebnisse werden Experimente im Windkanal sowie Visualisierungsmethoden genutzt, zu deren Umsetzung das an der Bauhaus-Universität neu entstehende Digital Bauhaus Lab genutzt werden soll.Im Ergebnis der Untersuchungen soll eine validierte Methodik zur effizienten und verteilten Simulation der Erregung linienförmiger Bauwerke unter stochastischer Winderregung im Kontext der Grenzzustands-basierten Strukturoptimierung zu entwickelt werden, die sich auch auf verwandte Probleme der Bauwerksdynamik anwenden ließe. In prototypischen Untersuchungen soll die Fähigkeit der Methode aufgezeigt werden, die Verbesserung der Performance in Bezug auf vielfältige Grenzzustände zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen