Optimierungsverfahren für robuste und dauerhafte Stahl- und Faserbetontragwerke unter Berücksichtigung skalenübergreifender polymorpher Unschärfemodellierung
Eine Weiterführung des Themas findet aktuell in der zweiten Bearbeitungsphase statt.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung numerischer Zuverlässigkeitsmodelle und Optimierungsverfahren für den lebensdauerorientierten Entwurf von Stahl- und Faserbetontragwerken, mit denen der Einfluss von unscharfen, d. h. nicht deterministisch beschreibbaren Entwurfsgrößen und unscharfen zeitvarianten Einwirkungen auf den Tragwerkszustand über die gesamte Nutzungsdauer erfasst werden kann. Dabei werden Interaktionen zwischen lastinduzierten Schädigungen und umgebungsbedingten korrosiven Prozessen mit Mehrskalenmodellen in Kombination mit physikalisch fundierten Dauerhaftigkeitsmodellen erfasst, siehe Bild 1. Die Tragwerkszuverlässigkeit wird mit gekoppelten Mehrfeldsimulationen unter Berücksichtigung polymorph unscharfer Daten (stochastische Parameter, Intervalle, Fuzzy-Größen und verallgemeinerte Unschärfemodelle) berechnet.
Mehrskalenmodellierung für die Berücksichtigung zeitvarianter Unschärfe auf verschiedenen räumlichen Skalen
Für den numerischen Tragwerksentwurf werden Optimierungsverfahren für polymorph unscharfe Daten entwickelt, bei denen die Robustheit und die Dauerhaftigkeit von Tragwerken als Optimierungsziel betrachtet werden und probabilistische Gebrauchstauglichkeits- und Sicherheitsmaße sowie die angestrebte Lebensdauer als Nebenbedingungen formuliert werden. Sowohl die Design-Parameter als auch die hinsichtlich der Dauerhaftigkeit und Robustheit kritischen Bauteile (“hot spots”) werden durch Sensitivitätsanalysen ermittelt. Zur Lösung der Optimierungsaufgaben unter Berücksichtigung unscharfer Last- und Schädigungsprozesse werden die Tragwerksmodelle durch effizientere Ersatzmodelle approximiert und ein Konzept für numerische zeitraffende Verfahren entwickelt.
Die erste Phase des Projekts beschäftigt sich insbesondere mit folgenden wissenschaftlichen Fragenstellungen:
- Wie beeinflussen unvermeidbare Unschärfen von Entwurfsparametern auf der Materialebene (z.B. Betonrezeptur, Faserverteilung, Stahl-Beton-Verbund-Eigenschaften) die Beton-Dauerhaftigkeit und schließlich die Tragwerkszuverlässigkeit?
- Welchen Einfluss hat die Bewehrungsart (Faserbewehrung vs. konventionelle Stahlbewehrung) auf die Robustheit von Tragwerken? Wie könnten hybride Bewehrungskonzepte die Robustheit verbessern?
- Wie beeinflussen herstellungsbedingte Toleranzen und Bauungenauigkeiten die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Tragwerken?
Wesentliche Projektresultate
- Sub-Modelling-Strategie zur Simulation und Analyse von Rissausbreitungen in Stahlbetontragwerken
- unscharfe Stahl-Beton-Verbundeigenschaften haben einen großen Einfluss auf das Rissverhalten
- Last-Verschiebungs-Kurve wird durch unscharfe Stahl-Beton-Verbundeigenschaften nicht signifikant beeinflusst
- Reduktion der Rechenzeit während der Optimierung durch Space Subdividing Methode und Multilevel-Ersatzmodell-Strategie
- Intervallradien haben großen Einfluss auf die Optimierungsergebnisse
- geringe Änderungen der stochastischen Parameter können großen Einfluss auf Grenzzustandsfunktion und Zielfunktion haben
