Das Institut für Statik und Dynamik bietet Studien- und Masterarbeiten mit konstruktivem oder theoretisch-numerischem Schwerpunkt an. Schwerpunkt der konstruktiv ausgerichteten Aufgabenstellungen ist die numerische Analyse von Grenzzuständen der Tragfähigkeit unter statischen und dynamischen Einwirkungen. Schalentragwerke, Membran- und Seil(netz)-tragwerke, Türme und Masten sowie Anschlussdetails werden mit modernen Berechnungsverfahren modelliert und untersucht. Interessen der Studierenden können bei der Aufgabenstellung berücksichtigt werden. Bitte kontaktieren Sie uns für mögliche Aufgabenstellungen.
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Für Themen möglicher Arbeiten im Kontext unserer aktuellen Forschungsprojekte wenden Sie sich bitte an die jeweils genannten Projektbearbeiter.
In Folge der Klimakrise drängt die Frage nach ausreichendem Schutz von Leben und ziviler Infrastruktur in Gebirgsregionen vor Naturgefahren wie Lawinen, Steinschlag und Murenabgängen. Diesen sollen eigens konzipierte Schutznetze garantieren. Sie ermöglichen die ernorme Energie durch große Verformungen umzuleiten und teilweise durch plastifizierende Bremselemente zu dissipieren.
Ziel ist die numerische Simulationen dieser Barrieren um die Optimierung und Weiterentwicklung der Strukturen zu ermöglichen, ohne auf aufwändige Feldversuche zurückgreifen zu müssen. Spannende Herausforderungen ergeben sich dafür aus der geometrischen und der materialbedingten Nichtlinearität sowie der Interaktion zwischen Struktur und Beanspruchungsmasse. Für die Modellierung von Murenabgängen ist die Material Point Method (MPM) besonders geeignet, da sich damit stark verformende Kontinua gut abbilden lassen. Die Netzstrukturen werden mit der Finiten Element Methode (FEM) diskretisiert.
Die Kopplung beider Methoden sowie die Beschreibung anderer Phenomene, wie die Drainage der Mure beim Aufprall auf die durchlässige Barriere, sind Teil dieses Arbeitsfeldes.
Themen & Fragestellungen:
Während des Bauprozesses und der Lebensdauer eines Bauwerks ändert sich dessen Beschaffenheit. Änderungen können dabei aus Beschädigungen des Tragwerks, der Degradation von Materialien oder fehlerhaft verbauten Materialien und Querschnitten resultieren. Getrieben von der Idee eines Digital Twins von Bauwerken müssen diese Änderungen in die zugehörigen Berechnungsrechenmodelle eingearbeitet werden.
Die System Identifikation beschäftigt sich mit dem automatisierten Updaten von Berechnungsmodellen basierend auf real gemessenen Systemantworten.
Themen & Fragestellungen:
In ultrahochfesten Beton (UHPC) eingebettete Mikrostahlfasern erhöhen die Duktilität und verbessern das Nachbruchverhalten unter Zugbeanspruchungen. Nachdem die Zugfestigkeit der UHPC-Matrix erreicht ist, wird die Tragfähigkeit des Werkstoffes durch die Aktivierung der Mikrostahlfasern sichergestellt. Aufgrund des Verbundes zwischen der UHPC-Matrix und den Stahlfasern bleibt die Tragfähigkeit in der Rissprozesszone erhalten, bis durch zu hohe Beanspruchungen eine Schädigung der Verbundzone erfolgt. Die Mikrostahlfasern lösen sich von der UHPC-Matrix und es folgt der Faserauszug, welcher zum kontrollierten Versagen des Verbundwerkstoffes führt.
Für eine effiziente und wirtschaftliche Bemessung von Bauteilen ist es notwendig die rissüberbrückende Fasertragwirkung und die damit verbundenen phänomenologischen Prozesse, die in der Verbundzone zwischen beiden Materialkomponenten stattfinden, zu charakterisieren und Modellgleichungen für die Beschreibung des Materialverhaltens zu entwickeln.
Die Vorhersage des Verformungs- und Schädigungsverhaltens von UHPFRC auf der Makro- und Strukturebene durch numerischen Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) ist dabei sehr nützlich. Viel Flexibilität in der Elementformulierung und der Wahl geeigneter Ansätze für weiterer Unbekannte im Elementgebiet, wie bspw. Spannungen, bietet das gemischt-hybride Elementkonzept. Der Vorteil liegt in einer direkten Berechnung aller Unbekannten ohne Nachlaufrechnung. Durch die Reduktion des Gesamtgleichungssystems auf die Verschiebungsfreiwerte ist trotz einer höheren Anzahl an Unbekannten eine effiziente Lösung möglich.
Themen & Fragestellungen:
Concrete structures generally consist of numerous micro-cracks and the accumulation and propagation of these cracks might lead to a growth of major cracks and ultimately result in failure. It is important to develop advanced methods to assess the damage state and to predict the failure mechanisms of aged structures.
Modelling damage in concrete as isotropic has proved to be in good agreement with the experimental results. However, these models fail to represent the actual behaviour of concrete under complex loading conditions. This can be attributed to the fact that the response of a structure depends on the direction of application of the load as well, which necessitates the importance of considering damage induced anisotropy. Numerical implementaion of these anisotropic damage models are incorporated into finite element codes within the framework of Kratos MultiPhysics.
Furthermore, the softening-induced localization of deformation in concrete is also addressed to avoid mesh dependencies. To achieve this, an implicit gradient formulation is utilized in the existing model.
Topics & research questions:
Bereits in frühen Entwurfsphasen eines Bauwerks müssen Tragwerksplaner auf Basis von wenigen Informationen die finalen Bauteilabmessungen des Tragwerks mithilfe von Erfahrung und überschlägigen Bemessungen festgelegen. Da die Sicherheit der Tragwerke oberste Priorität hat, werden diese Bemessungen häufig mit einem entsprechenden Aufschlag durchgeführt. Zudem lässt der Top-Down-Ansatz der Planungsphasen eines Bauwerks keine Verbesserungen zwischen den Leistungsphasen im Falle von möglichen Anpassungen zu. Die sich daraus ergebenden Potentiale zur Steigerung von Materialeffizienz und Wirtschaftlichkeit werden in diesem Projekt mithilfe eines hybriden Modellierungsansatzes untersucht. Es werden Ingenieurserfahrungen vergangener Bauprojekte nutzbar gemacht und mit den strukturmechanischen Modellen der Bauteile zusammengeführt. Ziel ist es, Vorschläge zur Optimierung von Bauteilentwürfen zu machen, um die Ingenieure in frühen Planungsphasen zu unterstützen.
Themen & Fragestellungen:
Analyse und Entwicklung einer detaillierten Kosten-Zielfunktion zur Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten und Wirtschaftlichkeit von Stahlbeton-Querschnitten im Hochbau
Implementierung und Evaluierung von modellbasierten Optimierungsalgorithmen für das Hyperparameter-Tuning mithilfe von Wahrscheinlichkeitsmodellen
Anwendung von physikbasierten neuronalen Netzwerken zur Simulation des Verformungsverhaltens einfacher mechanischer Systeme
Simulation von gekoppelten mechanischen Systemen durch die Verwendung hybrider Modelle
Durchführung von Robustheitsuntersuchungen an hybriden Struktur-Ersatzmodellen
Implementierung und Analyse von Energieansätzen und differentiellen Gleichgewichtsformulierungen zur Entwicklung hybrider Struktur-Ersatzmodelle
Umfassende Literaturübersicht und kritische Diskussion der aktuellen Anwendungen von physikbasierten ML-Algorithmen im Bauwesen
Thin-walled structures, such as membranes and shells, are well-known and currently used in many engineering and architectural applications thanks to their load-carrying behavior and free-form lightweight shapes. In recent years, Isogeometric Analysis (IGA), using B-spline as shape functions in finite element analysis, has been established as an exceptional tool for modeling and simulating these curved, slender structures. Moreover, its extension towards CAD-based B-Rep representation opens the possibility to even more complex applications with a trimmed multipatch model. Therefore, two critical aspects, ensuring inter-patch continuity and efficient trimmed integration procedures, are considered open questions.
Topics & research questions:
Das heterogene Gefüge von Beton kann mit Partikelpackungen unterschiedlicher Korngrößenverteilungen beschrieben werden. Hierfür wird die Diskrete Elemente Methode (DEM) verwendet, die zu den Partikelmethoden zählt. Die mechanischen Eigenschaften des Zementsteins werden in den Kontaktbedingungen berücksichtigt. Die einzelnen Kontakte werden mit Bruchkriterien auch für die Beschreibung von Bruchvorgängen genutzt. Für die Beschreibung von Transportprozessen im Beton wird auf Basis einer VORONOI-Tesselation ein Poren-Netzwerk erstellt, das eine direkte Kopplung einzelner Felder auf der Mikro- bzw. Mesoskala ermöglicht. Sowohl chemische als auch thermische Einflüsse und deren Auswirkungen auf die Lebensdauer können somit erfasst werden.
Themen & Fragestellungen:
In recent years, the Discrete Element Method (DEM) has been widely employed as an alternative to the Finite Element Method (FEM) for modelling crack nucleation and its subsequent propagation in materials such as Concrete. The Discrete Element Method offers implicitely the ability to describe crack nucleation as the breakage of bonds between two material points that were previously bonded together upon reaching a certain failure criteria. However, the range of material that can be represented within DEM is in general restricted to values of Poisson’s ratio under 0.25. Also, within this range, a stiffer response of the structure is observed. This is especially prominent under bending dominated problems. Since an accurate elastic material response is a prerequisite for subsequent analysis, the development of a bond model that accurately captures the linear elastic domain for valus of Poisson’s ratio in the range 0 to under 0.5 is of utmost importance.
Topics & research questions:
Ziel ist die Weiterentwicklung einer EBM FE-Formulierung für robuste Strömungssimulationen und FSI-Studien beweglicher, flexibler oder sich verformender Strukturen. EBM steht hierbei für die Embedded Boundary Method, bei der nicht ein an die Struktur angepasstes, konformes, Fluid-Netz aus Finiten Elementen genutzt wird, sondern die Struktur in das bereits bestehende Fluid-Netz integriert wird.
Das bringt einige Vorteile mit sich, zum Beispiel bei unsauberen Struktur-Geometrien, starken Verformungen bis hin zu Kontakt oder Topologieoptimierung. Allerdings entstehen auch Herausforderungen, die schon gelöst wurden oder noch gelöst werden müssen oder verbessert werden können, wie die Approximation der Struktur-Geometrie und das Aufbringen der Randbedingungen.
Themen & Fragestellungen:
Developing numerical methodologies for dynamically coupled multi-physics problems solving and computing their sensitivities with respect to different design variables for optimization purposes including shape optimization, topology optimization, system identification is of high interest. All of these methodological developments have the focus on enabling it to be executed on shared memory and/or distributed memory parallelized computing systems giving importance on efficient and effective data structures and algorithm developements.
Topics & research questions:
The ever-increasing demand for higher and higher fidelity simulations spurs the minimization of computational costs of each task comprising an analysis, while also ensuring its desired accuracy level. A good and established example is exploiting the inherently different spatial scales the involved physical phenomena act on. However, coupled multiphysics problems often evolve over vastly different time scales as well, but approaches taking advantage of this fact are much less mature. The topic of this research is exploring heterogeneous time integration schemes within the context fluid-structure interaction, chemical-mechanical degradation, and other coupled problems.
Waveform Relaxation
Waveform relaxation is a fundamentally different method of computing approximate solutions to ODEs than the de facto standard schemes based on finite differences. Its most appealing feature with respect to multiscale time integration is the ability to arbitrarily partition the system such that different time discretization can be applied to each partition. On the other hand, waveform relaxation involves iteratively solving the entire system on the full length of the time domain, possibly undermining any previous performance gain.
Topics & research questions:
Bei Interesse melden Sie sich bitte bei Herrn Dr.-Ing. Christian Flack.