SARA
Projekt: SARA - Gekoppelte Fluid-Struktur Analyse und Kontrolle wind-induzierter Lasten auf Bauwerke des Ingenieur- und Hochbaus
Projektlaufzeit: 01.03.2010 bis 01.03.2013
Budget/Finanzierung: 1,3 Mio / 0,9 Mio (total), 0,3 Mio (CIB)
Motivation
Durch den Einsatz effizienter Tragstrukturen und hochfester
Materialien können moderne Bauwerke besonders schlank und mit
geringem Eigengewicht entworfen und erstellt werden. Derartige
Bauwerke haben aber den Nachteil einer hohen
Verformungsanfälligkeit und geringen Tragwerksdämpfung. Ihr
Verhalten unter Windbelastung ist für den Nachweis sowohl der
Gebrauchstauglichkeit als auch der Tragfähigkeit oft
entscheidend. Besonders windinduzierte Schwingungen gefährden
potenziell die Standsicherheit und Nutzbarkeit der
angesprochenen Bauwerke. Bei anspruchsvollen Bauwerksgeometrien
lässt sich die Windbelastung nur mit dreidimensionalen
Strömungsmodellen erfassen, die konsequenterweise ein
räumliches Modell zur Berechnung der Strukturantwort bedingen.
Werden für den Bauwerksentwurf jedoch lediglich die bekannten
und in Normen erfassten statischen oder quasi-statischen
Lastmodelle genutzt, ergeben sich in vielen Fällen sehr
konservative, unwirtschaftliche und damit unakzeptable
Tragwerksentwürfe. Bisher lassen sich Windlasten in
befriedigender Weise nur mittels Windkanalversuchen bestimmen,
die dann für weitere Strukturberechnungen verwendet werden.
Deshalb besteht der Bedarf, die Bauwerksantwort auf
unterschiedliche Arten der Windbelastung zuverlässig
vorhersagen und Alternativen wirtschaftlich untersuchen zu
können.
Ziele
- Die Entwicklung eines numerischen Verfahrens für die
gekoppelte aerodynamisch-strukturdynamische Berechnung von
Windlasten auf Bauwerke des Ingenieur- und Hochbaus unter
Verwendung bekannter Lösungsalgorithmen der numerischen
Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics – CFD) und der
Strukturdynamik (Computational Structural Dynamics –
CSD).
- Integration des numerischen Verfahrens in den BIM
(Building Information Modeling) -basierten
Gebäudeplanungsprozess auf Basis einer
IT-Plattform.
- Anwendung, Demonstration und Validierung der entwickelten Software für realistische Testfälle mit dem Schwerpunkt der Bestimmung der dynamischen Strukturantwort hoher Bauwerke auf Windlasten.
- Ableitung von Regeln und Richtlinien für die praktische
Entwurfsarbeit, insbesondere für die Wind-Bauwerk-Interaktion
und für die Anwendung von Methoden zur Abminderung der
Windbelastung
- Weiterentwicklung der BIM-Methoden für den Bereich der dynamischen Bauwerksanalyse
Als Ergebnis des Projektes soll eine computerbasierte
Plattform zur Verfügung gestellt werden, mit deren Hilfe die
numerische Simulation, das Testen und die Bewertung der
Wirksamkeit von möglichen, strömungs- oder
strukturorientierten, passiven oder aktiven Maßnahmen zur
Minderung der Windeinwirkung durchgeführt werden kann. Das
Endprodukt soll als „numerischer Windkanal“ die frühen
Entwurfsphasen eines Bauwerks um ein wesentliches numerisches
Werkzeug zur Erfassung des Gebäudeverhaltens unter
Windbelastung erweitern.