Ein Simulationsframework der Pseudo-Dreidimensionalen Wirbelpartikelmethode für die aeroelastische Analyse und Entwurfsoptimierung von Tragwerken

• Antragsteller: Dr.-Ing. Samir Chawdhury; Professor Dr.-Ing. Guido Morgenthal
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571011941

Eine genaue Vorhersage der Wind-Struktur-Interaktion (WSI) ist entscheidend für den Entwurf fortschrittlicher Strukturen, um die Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit zu erfüllen und ein mögliches Versagen zu verhindern. Der erfolgreiche Abschluss mehrerer vergangener DFG-Projekte hat die Pseudo-Dreidimensionale Wirbelpartikelmethode (Pseudo-3D WPM) zur aeroelastischen Analyse weitgespannter Brücken und hoher Gebäudestrukturen maßgeblich numerisch weiterentwickelt. Das Hauptziel dieses Wissenstransferprojekts ist die Systematisierung der Fähigkeiten der Pseudo-3D VPM und die Entwicklung eines hochflexiblen, verallgemeinerten und effizienten numerischen Modellierungsframeworks, das parametrische Untersuchungen und eine automatische Entwurfsoptimierung von Strukturen ermöglicht, die einer dynamischen Winderregung ausgesetzt sind. Das geplante Simulationsframework zielt darauf ab, die Modellierung von Tragwerken, des Windfeldes und der Performance-Kriterien zu verallgemeinern und die Analyse so zu vereinheitlichen, dass sie die dynamische Antwort auf alle relevanten Anregungsphänomene vorhersagt, komplexe Strukturgeometrien und Kombinationen von Strukturkomponenten berücksichtigt und die Systemantwort im Hinblick auf vielfältige Performance-Kriterien quantifiziert. Durch einen analyse-agnostischen Ansatz ermöglicht das Framework eine effiziente Definition der Struktur- und Wind-Modelcharakteristika sowie der Zielgrößen der Systemantwort, um eine transparente Datenverarbeitung, eine konsistente numerische Simulation und eine systematische Dokumentation der Analyseergebnisse zu gewährleisten. Im Rahmen der Methodenentwicklung soll die Modellierung des turbulenten Windfeldes mit anisotropen und höhenvariablen Turbulenzeigenschaften verbessert werden, wobei adaptive Konzepte der Partikelgenerierung zur Steigerung der Recheneffizienz der VPM berücksichtigt werden. Darüber hinaus werden die vorgeschlagenen neuen Erweiterungen des WSI-Modells den Anwendungsbereich der bestehenden Pseudo-3D-WPM-Implementierung drastisch erweitern, da sie die Analyse der aerodynamischen Reaktion einzelner linienförmiger Strukturelemente unter Berücksichtigung ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen und ihres Einflusses auf die dynamische Gesamtantwort der Struktur ermöglichen werden. Weiterhin werden die numerischen Methoden und ihre Weiterentwicklungen validiert und optimiert, um effektive rechnerische Analysen im Kontext komplexer Analyseprobleme in praktischen Anwendungen zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang werden wertvolle Referenzbauwerke, Messdaten und Entwurfserfahrung von zwei Industriepartnern in den Forschungsprozess integriert. Iterative Feedback-Schleifen werden eine kontinuierliche Verfeinerung und Verbesserung des Simulationsframeworks ermöglichen, so dass ein geeignetes und zuverlässiges Werkzeug für die numerische Analyse von Brücken- und Hochbauprojekten auf der Grundlage von leistungsbasierten Winddesignkonzepten entsteht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Buro Happold GmbH; Wacker Ingenieure GmbH