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Robust methods for fluid-structure interaction with stabilised finite elements

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[Quelle: http://d-nb.info]

In nahezu allen Bereichen des Ingenieurwesens treten Mehrfeldprobleme auf, zu denen auch Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI) zu zählen sind. Diese Arbeit trägt zur Entwicklung eines stabilen und robusten numerischen Verfahrens zur Lösung solcher FSI-Probleme bei. Hier werden speziell zwei- und dreidimensionale Strukturen betrachtet, die in Wechselwirkung mit inkompressiblen Flüssigkeiten treten. Dabei ist das Strukturverhalten durch die nichtlinearen Gleichungen der Elastodynamik bestimmt. Die Dynamik des Fluids wird durch die inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben. Beide Felder werden mit Hilfe finiter Elemente im Raum und mittels Differenzenverfahren in der Zeit diskretisiert. Um das gekoppelte Problem zu lösen, kommt ein iterativ gestaffeltes partitioniertes Kopplungsverfahren mit Relaxation zum Einsatz. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf methodischen Aspekten. Insbesondere sollen die theoretischen Grundlagen des numerischen Verfahrens verbessert werden. Dabei ist das Ziel sicherzustellen, daß das Verfahren stabil läuft und für einen weiten Parameterbereich Ergebnisse von verläßlicher Genauigkeit liefert. Die theoretischen Ergebnisse werden durch begleitende kleine Beispielrechnungen veranschaulicht. Einige größere Anwendungen des Verfahrens werden am Schluß der Arbeit präsentiert.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Rosemarie Wagner
Statik und Tragwerkslehre für Architekten
2020, 400 S., 647 Abb., 26 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Zusammenspiel von Einwirkungen und Widerständen im Bauwerk beeinflusst den Ressourcenverbrauch, die Wahl der Baustoffe, die Abmessungen der Bauteile und damit die Gestalt des Bauwerks. Ein solides Grundlagenwissen über das Trag- und Verformungsverhalten von Bauteilen und Konstruktionen gehört zum Handwerkszeug jedes Architekten. Die statischen Grundlagen zu erlernen, ist weniger schwierig, als viele annehmen. Dieses Buch ermöglicht einen niederschwelligen Zugang zur Tragwerkslehre und zum Tragwerksentwurf. Schritt für Schritt erklärt die Autorin, wie Einwirkungen, Bauteile und deren Verbindungen abstrahiert und nach den Gesetzen der Mechanik durch mathematische Funktionen beschrieben werden. Anschaulich erklärt sie Konstruktionsarten und Eigenschaften von Bauteilen aus den unterschiedlichen Materialien (Stahlbeton, Mauerwerk, Holz, Glas, Membrane). Zur Vordimensionierung von Mehrfeldträgern, Rahmen, Platten und Scheiben reichen häufig schon einfache Methoden. Wer tiefer einsteigen will, findet Zusatzinformationen zu ingenieurwissenschaftlichen Lösungsansätzen. Aufgrund der gut durchdachten didaktischen Aufbereitung und der ausführlichen Erklärungen ist das Buch für das Architekturstudium und die Prüfungsvorbereitung ebenso zu empfehlen wie für das Wiederauffrischen von Kenntnissen im Berufsalltag.

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Stefan Rack
Formadaptive Tensegrity-Strukturen : ein Beitrag zur numerischen Simulation
Berichte zum Stahl- und Leichtbau, Band 10
Dissertationsschrift
2019, 286 S., graph. Darst. 240 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Obwohl Tensegrity-Strukturen seit ihrer Erfindung vor nahezu 70 Jahren eine ungebrochene Faszination auf Architekten und Ingenieure ausüben, begegnen wir diesen Strukturen in unserer gebauten Umwelt praktisch nie. Ein wesentlicher Grund hierfür liegt in der, im Vergleich zu konventionellen Tragsystemen, großen Nachgiebigkeit dieser Strukturen. Wird für eine Tragwerksaufgabe, für die eine konventionelle Struktur geeignet ist, alternativ eine Ausführung des Tragwerks als Tensegrity-Struktur untersucht, so stellt diese Eigenschaft zumeist einen ausschließenden Nachteil dar. Der erfolgreiche Einsatz von Tensegrity-Strukturen erfordert aus Sicht des Autors einen Perspektivwechsel - nicht trotz, sondern gerade wegen ihrer hohen Nachgiebigkeit bieten diese Strukturen Vorteile gegenüber konventionellen Tragsystemen. Großes Potential sieht der Autor in der Anwendung von Tensegrity-Strukturen zur Erzeugung formadaptiver Gebäudehüllen. In der vorliegenden Arbeit wird ein auf der Kraftdichtemethode basierendes, numerisches Verfahren zur Simulation des Formadaptionsprozesses von Tensegrity-Strukturen vorgestellt.

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Paul Spitzer, Erik Scholz
Statik im Bauwesen
Beuth Praxis
Aufgaben und Lösungen
3., Aufl.
2019, 320 S., 210 mm, Softcover
Beuth

 

 

Der Band "Aufgaben und Lösungen" ist Bestandteil der vierbändigen Reihe "Statik im Bauwesen". Die Aufgabensammlung ergänzt die theoretische Grundlagenvermittlung der Bände 1 bis 3 durch eine Vielzahl praxisorientierter Beispielaufgaben. Der Anwender kann sich anhand der Übungsaufgaben, die über 100 Beispiele aus der Realität simulieren, hervorragend auf die Praxis vorbereiten. Die Lösungswege werden schrittweise erläutert und sind somit leicht nachvollziehbar. Zahlreiche Fotos verdeutlichen und illustrieren die behandelten Inhalte. Die dritte Auflage wurde durchgehend überarbeitet und an den neuesten Stand der Normung angepasst.

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Stephan Müller
Ein Beitrag zum Energiedissipationsvermögen von Betonschrauben
Karlsruher Reihe Massivbau, Baustofftechnologie, Materialprüfung, Band 85
Dissertationsschrift
2019, 378 S., graph. Darst. 240 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Bei der seismischen Bemessung von nichttragenden Bauteilen wird die Energiedissipation der Befestigungsmittel nur vereinfacht über einen tabellierten Verhaltensbeiwert berücksichtigt. Vor diesem Hintergrund wird das zyklische Trag- und Dämpfungsverhalten von Befestigungsmitteln, speziell von Betonschrauben untersucht und ein duktiler Schraubanker entwickelt. Zudem wird ein Ansatz vorgestellt, wie die Energiedissipation von Befestigungsmitteln über einen Verhaltensbeiwert ermittelt werden kann.

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Friedel Hartmann, Casimir Katz
Statik mit finiten Elementen
Springer-Lehrbuch
Lehrbuch
2., Aufl.
2019, XII, 361 S., 57 SW-Abb., 215 Farbabb., 92 Farbtabellen. 24,5 cm, Softcover
Springer

 

 

Ein Verständnis für die Grundlagen der finiten Elemente ist Voraussetzung dafür, dass man FE-Programme sinnvoll einsetzen kann, dass man Ergebnisse bewerten kann, denn erst aus dem Wissen um die Grundlagen kommt die nötige Souveränität und Gelassenheit im Umgang mit FE-Programmen. Das Ziel des Buches ist es daher, die Grundlagen der finiten Elemente in einer an die Vorstellungswelt des Ingenieurs angepassten Sprache darzustellen, sie so aufzubereiten, dass die Statik hinter den finiten Elementen sichtbar wird. Dabei kam es den Autoren vor allem darauf an, die Ideen zu vermitteln. Sie waren wichtig und nicht unbedingt die technischen Details, denn die Statik sollte im Vordergrund stehen und nicht das Programmieren der Elemente. Und so wurde auch viel Wert auf illustrative Beispiele gelegt. Die 2. Auflage wurde ergänzt um die Themen Einflussfunktionen, Modellbildung am Gesamtsystem, Stabilitätsnachweise komplexer Tragstrukturen, Reanalysis, Retrofitting und Sensitivitätsanalyse.

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Forschungsberichte

Bauforschungsberichte, Kurzberichte, Dissertationen, Hinweise auf laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben sowie Bauforschungs-Informationen aus dem deutschsprachigen Raum können Sie sich kostenlos/kostenpflichtig als Download direkt auf den Bildschirm holen oder online auf Papier bestellen.
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Muhammed Al Koussini, Christoph Butenweg, Norbert Gebbeken
Vergleich der neuen Erdbebenkarten in Deutschland und mit den Anrainerstaaten
Abschlussbericht.
Bauforschung, Band T 3386
2021, 71 S., 66 Abb. u. 13 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen dieses Forschungsberichts erfolgt ein Vergleich der seismischen Einwirkungen in deutschen Erdbebengebieten nach DIN En 1998-1/NA-2020 mit den Einwirkungsniveaus in den Anrainerstaaten Niederlande, Belgien, Luxemburg, Polen, Tschechien, Österreich, Schweiz, Frankreich, und Italien. Zusätzlich werden Portugal, Italien und Griechenland hinzugezogen, obwohl diese Länder nicht direkt an Deutschland grenzen. Für jedes der genannten Länder erfolgt eine Auswertung der aktuellen normativen Dokumente für die Definition der Antwortspektren und ein Vergleich mit dem neuen Nationalen Anwendungsdokument für Deutschland. Im Anschluss erfolgt die Gegenüberstellung der Erdbebeneinwirkungen in den Grenzbereichen zwischen Deutschland und den Anrainerstaaten sowie ein Vergleich der Antwortspektren im Hinblick auf die Spektralform und die Amplifikationsfaktoren. Den Abschluss des Berichts bildet eine zusammenfassende Beurteilung der Untersuchungsergebnisse.

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Wolfram Jäger, Jürgen Ries, Maik Erler, Peter Schöps
OptiHaP - Umsetzung einer optimierten Prüfung der Haftscherfestigkeit im Mauerwerksbau in Anlehnung an das bisherige europäische Verfahren nach DIN EN 1052-3
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3191
2020, 75 S., 90 Abb. u. 15 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Mit dem Übergang auf die europäischen Prüfnormen wird die Haftscherfestigkeit nach DIN EN 1052-3 geprüft. Die damit erreichbaren Werte sind etwa um die Hälfte geringer als nach dem bisherigen deutschen Prüfverfahren nach DIN 18555-5. Die Ursachen dafür konnten bisher nicht geklärt werden. Es war im Rahmen dieses Forschungsvorhabens ein geeigneter Versuchsaufbau in Anlehnung an das europäische Prüfverfahren zu testen und weiter zu optimieren. Mit dem Forschungsvorhaben konnten die Unterschiede zwischen dem alten Prüfverfahren nach DIN 18555-5 und dem neuen gemäß DIN EN 1052-3 nach eingehenden Untersuchungen mechanisch und experimentell erklärt werden. Die Ursache liegt in den auftretenden Biegezugspannungen, die das Ergebnis verfälschen. Die Ergebnisse werden der Bauaufsicht und den Normungsgremien zur Verfügung gestellt, um eine Praxiseinführung in Angriff zu nehmen.

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Reinhard Harte, Kirsten Stopp, Nils Müller
Konzeption und Aufbau einer standardisierten Beispieldatenbank für softwaregestützte Tragwerksberechnung in Anlehnung an VDI 6201 für den Einsatz von Statik-Software in BIM-basierten Prozessketten
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3198
2020, 60 S., 22 Abb. u. 2 Tab., 333 S. Anhang, Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Für die vermehrt softwaregestützten Planungsprozesse von Tragwerken, gibt es keine einheitliche und etablierte Evaluierungsmethode zur Überprüfung der Berechnungen. Die Qualität der verwendeten Software soll nun anhand von Evaluierungsbeispielen gesichert werden. Dazu wurde eine standardisierte, nutzergestützte webbasierte Beispieldatenbank konzipiert und eingerichtet. Die Datenbank enthält einen Datenbestand mit Beispielen, die den Anforderungen der VDI 6201 genügen.

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Siham Mittelstedt, Christian Mittelstedt
Globale Stabilität schubweicher anisotroper hochbelasteter Laminat- und Sandwich-Träger unter kombinierter Belastung im Brücken- und allgemeinen Ingenieurhochbau
Abschlussbericht, November 2019.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3210
2020, 334 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Stabilitätsverhalten klassischer isotroper Trägerstrukturen ist insgesamt verstanden und sehr gut beherrschbar. Hingegen besteht hinsichtlich des Stabilitätsverhaltens im Sinne der Verzweigungstheorie schubweicher Träger in Faserverbund-Bauweise eine erhebliche Anzahl offener Fragen, deren Klärung das geplante Vorhaben gewidmet war. Hauptaugenmerk lag dabei auf der Entwicklung innovativer, schneller und hochgenauer Rechenverfahren, mit deren Hilfe in der Ingenieurspraxis eine globale Stabilitätsanalyse von Faserverbund-Trägern erfolgen kann. Die Analysezugänge berücksichtigen die für solche Strukturen typischen Koppeleffekte und transversalen Schubverformungen explizit. Der letzte Punkt machte die Verwendung höherer Laminattheorien erforderlich, die die Einschränkungen der Klassischen Laminattheorie erweitern. Die Untersuchungen zeigen auf, dass es möglich ist, klassische Berechnungsformeln auch für Faserverbund-Träger zu verwenden, wenn die entsprechenden effektiven Querschnittskennwerte nach der Verbundtheorie angesetzt werden.

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Markus Waltering, Jürgen Schnell, Frank Weisleder, Aleksandar Pancic
Tragfähigkeitsanalyse im Bestand mittels Schwingungsanalyse. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3144
2019, 74 S., 23 Abb. u. 2 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei der Umnutzung von historischen Stahlbetondecken im Bestand lässt sich die Standsicherheit oft rechnerisch nicht nachweisen. Bei dem hier beschriebenen Verfahren soll die Geometrie der ersten Biegeeigenform genutzt werden, um Tragreserven von Decken in Folge von Einspannungen in angrenzende Bauteile nutzen zu können, welche ohne derartige dynamische Untersuchungen nicht bekannt wären. So sollen erforderliche Nachweise erbracht werden können. Durch das hier beschriebene Verfahren konnte gezeigt werden, dass Deckenplatten bei Auflasten eine Einspannung in das Außenmauerwerk aufweisen. Diese Einspannungen lassen sich durch Schwingungsmessungen bzw. durch den Verlauf der Biegeeigenformen bestimmen. Dadurch konnte das notwendige Kriterium für den rechnerischen Ansatz einer Einspannung von Deckenplatten in Abhängigkeit der Auflast im Außenmauerwerk geschaffen werden. Mithilfe dieser Schwingungsanalysen wird ermöglicht, dass die erforderlichen Nachweise nach aktuellem Stand der Technik gegebenenfalls erbracht werden können.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Fingerloos, Frank; Cyllok, Michael; Zehfuß, Jochen
An alternative tabular method for fire protection design of reinforced concrete columns - Explanations to the new Annex C of DIN EN 1992-1-2/A1
BFT International, 2021

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Omerovic, Samir; Koczwara, Christian; Daxberger, Harald; Antony, Bernhard; Auer, Florian
Anwendung der Diskrete-Elemente-Methode im Eisenbahnbau. Numerische Parameterstudien zum dynamischen Verhalten von Gleisschotter
EI Der Eisenbahningenieur, 2021

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Küttenbaum, Stefan; Maack, Stefan; Braml, Thomas; Taffe, Alexander; Strübing, Thorsten
Bewertung von Bestandsbauwerken mit gemessenen Daten, Teil 2. Berechnung der Tragwerkszuverlässigkeit unter Einbeziehung der ZfP?Messergebnisse
Beton- und Stahlbetonbau, 2021

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Tóth, Mate; Bokor, Boglárka; Sharma, Akanshu
Befestigungen im stahlfaserverstärkten Beton bei Betonbruch - Stand der Technik und Bemessungsansatz
Bauingenieur, 2021

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Baumann, Katrin; Thie, Edwin; Gabler, Markus
Die Podiumsbrücke in Bocholt. Bauwerk aus innovativen Werkstoffen
Brückenbau, 2021

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