Methoden für hybride aeroelastische Analysen von Bauwerken

• Antragsteller: Professor Dr. Guido Morgenthal
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451828099

Das aeroelastische Verhalten von Baukonstruktionen wie weitgespannten Brücken muss im Zuge ihres Entwurfes zutreffend vorhergesagt werden. Unter der Einwirkung atmosphärischen Windes können sie erhebliche Schwingungen ausbilden, und daher sind realitätsnahe Prognosemodelle für Phänomene wie Wirbelerregung, Böenerregung und Flattern erforderlich. Typische Methoden zur aerodynamischen Analyse sind empirische, experimentelle (Windkanal) und numerische (Computational Fluid Dynamics, CFD) Modelle. Zur Berechnung von Bauwerken können diese kombiniert werden und müssen mit strukturdynamischen Modellen gekoppelt werden. Der Einfluss einzelner Modellkomponenten auf die globale Vorhersage und seine Qualität kann mit Hilfe von Sensitivitätsanalysen quantifiziert werden. Ein vielversprechendes Konzept zur Steuerung der Vorhersagequalität sind adaptive und hybride Ansätze, bei denen die Modellkomponenten so gewählt werden, dass eine Abwägung von Qualität und Effizienz möglich wird. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Modellgerüstes zur Berechnung der dynamischen Windantwort von Konstruktionen mittels eines hybriden Ansatzes, der eine flexible Auswahl und den Austausch von Modellen ermöglicht, um Vorhersagegenauigkeit und Berechnungsgeschwindigkeit einzustellen. Dies soll mit Hilfe von Metamodellen geschehen, die vollständig oder teilweise rechenaufwendige CFD Simulationen auf Basis der Vortex Particle Methode durch mathematische Ausdrücke ersetzen, um die Rechenzeit ohne wesentliche Genauigkeitseinbußen dramatisch zu reduzieren. Neuronale Netze sind eine Form von maschinellem Lernen, bei der das Netz hier als Metamodell für die verschiedenen Kraftwirkungen der Wind-Struktur-Interaktion genutzt wird. Sensitivitätsanalysen sollen eingesetzt werden, um den Einfluss der Modellparameter auf die Prognose zu quantifizieren und den Modellauswahlprozess zu steuern. Entwickelte Metamodelle werden mit Referenzmodellen wie Windkanalergebnissen. Diese werden in einer pseudo-3D-Modellierung genutzt, die die Berechnung unter simultaner Berücksichtigung aerodynamsicher Admittanz, selbsterregter Kräfte sowie der Wirbelerregung erlaubt. Die aerodynamische Zeitschrittberechnung einer 3D-Struktur kann so durch flexible hybride Anordnung verschiedener aeroelastischer Modelle erfolgen, wobei die Metamodelle eine hohe rechnerische Effizienz gewährleisten. Das Modellgerüst ist anwendbar auf linienförmige Bauwerke wie weitgespannte Brücken, Türme und Maste und hat erhebliches Potential für zukünftige Anwendungen auf Probleme des Windingenieurwesens.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen